Международный коллектив физиков при участии россиян впервые обнаружил низкоэнергичные солнечные нейтрино и измерил полную энергию, выделяемую термоядерными реакциями в ядре Солнца.

После десятилетий поиска решена одна из главных проблем солнечной физики. Международный коллектив ученых из Европы, России и США, работающий в эксперименте Борексино (Borexino), впервые подтвердил существование низкоэнергетичных солнечных нейтрино. Наконец получено прямое доказательство протекания на Солнце протон-протонной (рр) термоядерной реакции. Стандартная солнечная модель предсказывает, что через квадратный сантиметр на Земле каждую секунду проходит 60 млрд. нейтрино от основной ядерной реакции Солнца. Измеренный экспериментаторами фактический поток составил 66 ± 7 млрд. нейтрино, что прекрасно согласуется с теорией. Благодаря этому ученые выполнили измерения энергии нашего светила в момент её генерации.

Детектор Борексино. Нейлоновая сфера диаметром 8,5 м с сцинтиллирующей жидкостью. (фото Borexino Collaboration)

Детектор Борексино. Внутренний вид сферы из нержавеющей стали диаметром 13,7 м, на которой установлены 2212 ФЭУ. Она окружает нейлоновую сферу. (фото Borexino Collaboration)

Схема детектора Борексино. (рис. Borexino Collaboration)

Слайд коллаборации Борексино, изображающий суть работы и наблюдения ядра Солнца в реальном времени. (рис. Borexino Collaboration)

Протон-протонный цикл — цепочка термоядерных реакций в звёздах: из водорода образуется дейтерий, потом нестабильный изотоп гелий-3 и в конце концов очень устойчивый изотоп гелий-4.

Несмотря на всю важность обнаружения рр нейтрино, следует отметить, что у этой работы есть еще несколько важных результатов. Теперь ученые получили возможность с помощью нейтрино наблюдать за процессами в ядре Солнца в реальном времени. До настоящего времени все измерения солнечной энергии основывались на излучении солнечной фотосферы, то есть обычного солнечного света, который, в частности, освещает наше небо и согревает Землю. Но энергия, уносимая солнечным светом с поверхности Солнца, была произведена в термоядерных процессах в ядре около 100 000 лет назад. Такова оценка среднего времени, необходимого энергии, чтобы просочиться из центральных областей Солнца и достичь его поверхности. Рожденные в ядре нейтрино, двигаясь с околосветовой скоростью, достигают Земли уже через 8 минут, обеспечивая почти мгновенный снимок солнечного ядра.

Энергия Солнца, измеренная по нейтрино, совпадает с измеренной по световому излучению. Это доказывает, что энерговыделение Солнца не менялось за длительный период времени порядка 100 000 лет.

Результаты и разработанные в ходе исследований методы в дальнейшем будут использованы для исследования самих нейтрино. Сейчас Борексино может измерять поток низкоэнергетических нейтрино с точностью 10%. В ближайшие 4 года ученые хотят продолжить исследования, улучшив в 10 раз точность измерений, доведя ее до 1%. Возможно, это позволит продвинуться в поисках новой физики.

Результаты опубликованы в статье в престижном научном журнале Nature.

С российской стороны в работах участвовали учёные Национального исследовательского центра «Курчатовский Институт», Петербургского института ядерной физики им. В.П. Константинова, Объединённого института ядерных исследований, НИИ ядерной физики имени Д.В. Скобельцына МГУ и университета «Московский инженерно-физический институт».

СПРАВКА

По современным представлениям энергия Солнца возникает в его очень горячем и плотном ядре в результате последовательности термоядерных реакций, которые каждую секунду преобразуют более 600 млн тонн водорода в гелий. При этом около 4 млн тонн вещества превращается в лучистую энергию и нейтрино.  

Этот многоступенчатый процесс стартует с так называемой протон-протонной (рр) реакции, когда два протона сливаются вместе, образуя дейтерий, тяжелый изотоп водорода с ядром из одного протона и одного нейтрона. Один из протонов при этом превращается в нейтрон. Этот процесс, сопровождающийся рождением нейтрино и позитрона, порождает 99% всей энергии Солнца и почти весь поток солнечных нейтрино. Вклад вторичных реакций значительно меньше.

Если позитроны быстро гибнут в ядре при взаимодействии с электронами, то нейтрино благодаря своему уникальному свойству очень слабо взаимодействовать с веществом легко проходят сквозь толщу солнечного вещества и достигают Земли. Именно поэтому регистрация на Земле соответствующего количества нейтрино должна подтвердить правильность наших представлений о реакциях, протекающих в ядре Солнца, недоступных никаким другим наблюдениям.

Однако в рр реакции рождаются нейтрино с низкой энергией, что сильно затрудняет их обнаружение. Их трудно отличить от нейтрино, рождаемых в радиоактивных распадах на Земле. Поэтому, несмотря на то, что эксперименты по исследованию солнечных нейтрино ведутся уже почти 50 лет, они ускользали от непосредственного обнаружения.

Высокоэнергичные нейтрино от вторичных реакций регистрировались, подтверждая справедливость представлений ученых о процессах в ядре Солнца, но здесь возникла другая проблема, которая получила название «дефицит солнечных нейтрино». Эксперименты, которые проводятся с 1960-х годов, регистрировали в 2-3 раза меньшее число солнечных нейтрино, чем предсказывает теория. Это на 30 лет стало одной из главных загадок солнечной физики.

Эта проблема была решена в последнее десятилетие, когда физики доказали возможность превращения одних видов нейтрино в другие, называемого осцилляциями нейтрино (всего существует три типа нейтрино: электронное, мюонное и таонное). Таким образом, решение загадки заключалось в том, что электронные нейтрино, которые рождаются Солнцем, на пути к Земле превращаются в другие типы, которые в экспериментах не искали.

Решена еще одна проблема.

Детектор Борексино установлен на глубине 1,4 км в подземной лаборатории Гран Сассо Национального института ядерной физики Италии (INFN). Его ядром является нейлоновая сфера диаметром 8,5 м, содержащая 278 тонн ультрачистой бензолоподобной жидкости, которая испускает вспышки света при столкновении нейтрино с электроном. Жидкость получена из нефти, и одной из самых больших проблем было ее избавление от содержащегося в нефти радиоактивного углерода-14, распад которого может скрыть сигнал от нейтрино. Когда углерод-14 распадается, он испускает электрон, который создает вспышку света, очень похожую на сигнал от нейтрино. Чтобы свести к минимуму эту проблему, жидкость получали из настолько древней нефти, что большая часть беспокойного изотопа углерода уже распалась. Исследователи также изобрели новый способ подсчета событий, чтобы отсеять фальшивые вспышки.

Детектор окружен 889 тоннами не дающей вспышек воды, помещенной в многослойный защитный кокон, что предохраняет сосуд от паразитного излучения. Высокую точность эксперимента обеспечивают  2212 световых детекторов (фотоэлектронных умножителей, ФЭУ), которые улавливают свет от вспышек.

Природа нейтрино, позволяющая им беспрепятственно ускользать из центра Солнца, с другой стороны, создает чрезвычайно сложные проблемы их детектирования здесь, на Земле, связанные с созданием очень больших детекторов для регистрации всего лишь нескольких событий. Регистрация рр-нейтрино - трудная задача еще и из-за их маленькой энергии, самой низкой среди солнечных нейтрино и лежащей в области высокого природного фона. В эксперименте Борексино был достигнут беспрецедентно низкий уровень фона, который дал уникальную возможность выполнить такие измерения.

По материлам НИИ ядерной физики имени Д.В. Скобельцына МГУ,  «Nature»