Найти душу Солнца

Нейтринный детектор Borexino в итальянской подземной лаборатории Гран-Сассо в Апеннинах. Фото: Borexino Collaboration

Физики впервые поймали электронные нейтрино, родившиеся в ядре Солнца

Александр Телишев

27 августа, 2014 21:09

7 мин

Коллектив ученых из международной коллаборации Borexino сегодня объявил о первом в истории прямом обнаружении солнечных электронных нейтрино — мельчайших элементарных частиц, которые практически не взаимодействуют с видимой материей. Открытие физиков подтверждает общепринятую теорию о том, что ядра Солнца и других звезд производят большое количество таких нейтрино. Их можно использовать в качестве своеобразного рентгена для наблюдения за процессами, происходящими в недрах светил. Промежуточные итоги работы исследователей публикует журнал Nature.

«По нашим текущим представлениям, нейтрино — единственная возможность заглянуть в недра Солнца. Эти pp-нейтрино, формирующиеся в момент слияния двух протонов и их превращения в дейтерий, особенно сложно изучать. Обнаружить такие частицы достаточно трудно по той причине, что они обладают относительно низкой энергией, из-за чего их можно перепутать с нейтрино, выделяющимися в ходе реакций распада радиоактивных ядер на Земле», — пояснил Андреа Покар из Университета Массачусетса в городе Амхерст (США).

Покар и его коллеги по коллаборации, в том числе российские физики из МГУ, Курчатовского института, Петербурга и Дубны, на протяжении семи лет работают с нейтринным детектором Borexino, который был построен на километровой глубине в толще гор Италии в 2007 году в национальной лаборатории Гран-Сассо. В ее пределах присутствует еще несколько других научных инструментов, в том числе печально известный детектор OPERA, где в сентябре 2011 года были ошибочно обнаружены скандальные «сверхсветовые» нейтрино.

Детектор представляет собой огромную сферу из нейлона диаметром почти в восемь метров, которая заполнена 300 тоннами специальной жидкости. Молекулы жидкости светятся при столкновении с нейтрино. Сфера погружена в гигантский стальной чан с водой, на его стенках установлено свыше двух тысяч высокочувствительных фотодетекторов, способных улавливать вспышки от взаимодействия с частицами. Вода и светящаяся жидкость прошли тщательную многоступенчатую очистку от атомов тория, урана и других радиоактивных элементов для снижения шансов на ложное срабатывание.

Почему астрономы и физики прикладывают столь большие усилия для поиска этих частиц, которые практически не взаимодействуют с другими типами видимой материи? С момента экспериментального обнаружения этих частиц в 1956 году ученые знают, что львиная доля нейтрино, каждую секунду «прошивающих» Землю, возникает в ходе термоядерных и иных реакций в ядре Солнца и других звезд. Благодаря почти нулевой массе и околосветовой скорости они практически не взаимодействуют с материей светила, что позволяет использовать нейтрино (если научиться их ловить) в качестве звездного «рентгена».

Стандартная модель физики и современные представления об устройстве и процессах в недрах светил говорят о том, что большая часть звездных нейтрино образуется в ходе так называемого pp-цикла, через который Солнце вырабатывает около 99% энергии. Под этим термином ученые понимают сложную многоступенчатую термоядерную реакцию, в ходе которой четыре протона объединяются в ядро гелия и вырабатывают два позитрона, гамма кванта и электронных нейтрино (существует шесть подвидов этой частицы — электронное, мюонное и таонное нейтрино и их двойники-антинейтрино).

Первые наблюдения за pp-нейтрино, как их называют физики, раскрыли удивительную вещь — число этих частиц, за которыми следил один из первых детекторов нейтрино в шахте Хоумстейк в США с начала 70 годов прошлого века, было в три раза меньше предсказанных теорией значений. Этот нейтринный парадокс и стал поводом для строительства Borexino, японского Kamiokande и других действующих сегодня «ловцов» нейтрино.

Андреа Покар. Фото: UMass Amherst

Возможный ответ на эту загадку был получен несколькими годами ранее на других детекторах, которые приспособлены для поимки высокоэнергетических нейтрино, возникающих при распаде ядер бора. Наблюдения на британской нейтринной обсерватории SDO в 2001 году показали, что эти частицы могут спонтанно превращаться в нейтрино другого типа во время путешествия от ядра Солнца к Земле. На долю «борных» нейтрино приходится всего 0,01% от общего потока этих частиц, что не дает физикам полного права на использование этой идеи для решения нейтринного парадокса.

Как отмечает Покар, Borexino смог обнаружить около 90% нейтрино, излучаемых Солнцем, после дополнительной очистки воды и светящейся жидкости, проведенной в январе 2012 года. Год наблюдений на Borexino подтвердил, что часть электронных нейтрино, рождающихся в ходе pp-цикла, действительно превращается в мю- и тау-частицы. С другой стороны, во время полета к Земле «теряется» не так много нейтрино, как предсказывали наблюдения SDO — около 64%, а не 32%, электронных нейтрино долетает до Земли в неизменном виде.

Другим важным подтверждением, полученным благодаря открытию рр-нейтрино, стало то, что Солнце действительно вырабатывает около 99% энергии в результате термоядерных реакций между протонами. Кроме того, сравнив флуктуации в нейтринном фоне Солнца и в интенсивности его излучения, авторы статьи смогли вычислить время, которое фотоны проводят во время путешествия из ядра светила к его поверхности. Оно составляет, по расчетам физиков, около 100 тысяч лет, что полностью соответствует текущим представлениям об устройстве и жизни звезд.

«Сравнив два разных типа энергии, испускаемых Солнцем (потоки света и нейтрино), мы получили экспериментальную информацию о состоянии внутренних слоев Солнца на протяжении ста тысяч лет. Глаза часто называют зеркалом души, и если говорить о нейтрино, то наблюдая за ними, мы смотрим не просто на лицо Солнца, а прямо в его ядро. Нам удалось заглянуть в его душу», — продолжает Покар.

Как ожидает американский физик, точность обнаружения нейтрино на Borexino будет улучшена в ближайшие месяцы и годы примерно в десять раз, когда в светящейся жидкости «выгорят» все радиоактивные атомы углерода-14 и когда физики соберут полные данные об уровне фонового излучения в окрестностях детектора. Когда эта отметка будет достигнута, члены коллаборации попытаются поймать нейтрино из последней, пока не изученной группы этих частиц, вырабатываемых в ходе объединения ядер углерода и кислорода. Если ученым удастся обнаружить эти нейтрино, то они откроют дорогу для раскрытия другой солнечной загадки, необъяснимой при помощи современных теорий — неравномерного распределения астрономических «металлов» (элементов тяжелее водорода и гелия) по недрам Солнца.

ТЕГИ

поддержать проект

Для поднятия хорошего настроения, вы можете угостить наших редакторов чашечкой кофе

Маленькая чашка кофе