Борексино видит pep-реакции на Солнце
Borexino sees pep reaction in the Sun

Нейтрино пойманные под горой в центральной Италии предоставили первое прямое свидетельство ядерной реакции по преобразованию водорода в гелий внутри Солнца. Наблюдение было сделано в коллаборации Борексино (Borexino), которая вскорости надеется отловить пока еще невидимые нейтрино от термоядерных реакций, происходящих в звездах тяжелее, чем наше собственное Солнце.

Большая часть солнечного тепла вырабатывается в реакциях термоядерного синтеза, которые составляют то, что известно как «протон-протонный цикл». Он включает в себя слияние двух ядер водорода (протонов) с образованием тяжелого водорода, слияние с третьим ядром водорода с образованием гелия-3, а затем, различными путями, создание чрезвычайно стабильного гелия-4.

Физики могут узнать об этом цикле, перехватывая незаряженные почти безмассовые частицы, известные как нейтрино, которые производятся во многих составных реакциях. В самом деле, измеряя потоки этих частиц, они могут узнать не только о структуре и динамике Солнца, но и о свойствах нейтрино самих по себе. На сегодняшний день, однако, большинство нейтринных детекторов чувствительны к солнечным нейтрино высокой энергии - те, которые имеют энергию приблизительно 5-18 МэВ. Тем не менее, подавляющее большинство солнечных нейтрино имеют энергии до 5 МэВ, и установка Борексино была построена специально для изучения этих частиц.

Обнаружение требовательно к условиям

Обнаружение любых нейтрино трудно, потому что частицы взаимодействуют очень слабо со всеми другими видами материи. Но захват низкоэнергетических нейтрино от Солнца, особенно щепетильный так, как естественные радиоактивные процессы на Земле порождают частицы с энергиями до 3 МэВ, которые могут таким образом скрыть низкоэнергетические нейтринные взаимодействия. Как и в других нейтринных экспериментах, установка Борексино находится глубоко под землей, чтобы защитить ее от вмешательства космических лучей, и размещена в лаборатории Национального института ядерной физики Гран Сассо, Италия. Как и другие установки, она содержит большую массу чувствительного материала, в данном случае это около 280 тонн жидкого сцинтиллятора, который генерирует вспышки света, когда нейтрино рассеиваются на электронах внутри него. Этот эксперимент отличается крайней чистотой используемых материалов, как для сцинтиллятора самого по себе, так и сферы из нержавеющей стали, которая содержит сцинтиллятор - с уровнями радиоактивности внутри каждого сниженного на 10 или 11 порядков.

В данных, собранных между 2007-2010, коллаборацией Борексино, состоящей из физиков из Италии, США, Германии, Франции и России, уже обнаружены солнечные нейтрино от превращения бериллия-7 в литий-7. Имея очень четко определенную энергию в 0,86 МэВ, эти нейтрино были обнаружены в количестве около 50 в день на каждые 100 тонн сцинтиллятора. В последнем анализе, который использует данные, полученные с января 2008 года, исследователи наблюдают еще более редкие события - обнаружение солнечных нейтрино с энергией точно в 1,44 МэВ, которые рождаются в результате слияния двух протонов и электрона в pep-реакциях. Используя новый метод анализа данных, чтобы замаскировать вмешательство ядер углерода-11, которые производятся несколькими частицами космических лучей в условиях этого эксперимента, исследователи обнаружили, что, в среднем, pep-нейтрино сталкиваются с 100-тонным материалом детектора 3,1 раза в день.

Первое прямое доказательство

По словам пресс-секретаря коллаборации Borexino Джанпаоло Беллини (Gianpaolo Bellini), это первое прямое свидетельство pep-реакций, происходящих на Солнце, и он говорит, что наблюдаемый поток находится в хорошем соответствии с предсказаниями астрофизиков по «стандартной модели Солнца». Но он отмечает, что необходимы дополнительные данные, чтобы полностью использовать потенциал установки Борексино в качестве датчика нейтринных «осцилляций». Результаты различных экспериментов в течение нескольких десятилетий показали, что нейтрино превращаются (как говорят «осциллируют») из одного вида (электронное, мюонное и тау-нейтрино) в другой, когда они движутся в пространстве, но физики хотели бы точно знать, как интенсивность этих осцилляций зависит от энергии нейтрино. Другие эксперименты показали, что теоретические прогнозы хорошо согласуются с данными, при более высоких энергиях, а результат с бериллием-7 в Борексино показывает, что есть также хорошее согласие и при самых низких энергиях. Но, по словам Беллини, больше pep-нейтрино должно быть обнаружено, чтобы собрать достаточно данных на промежуточных энергиях.

Для этого исследователи Борексино в настоящее время проводят капитальный ремонт детектора для снижения уровня радиоактивности еще больше и надеются начать в марте или апреле сбор данных еще на три года. Эти новые данные могли бы также подтвердить существование нейтрино от совершенно других термоядерных реакций, которые считаются топливом массивных звезд, а также производят небольшую долю гелия внутри Солнца ? «углерод-азот-кислородный цикл» (CNO), который плавит водород в гелий путем формирования трех тяжелых элементов. Эти нейтрино должны взаимодействовать с ядрами детектора Борексино с той же интенсивностью, что и pep-нейтрино, но они имеют менее характерный энергетический спектр, что делает его трудно отличимым от фона, хотя по последним данным установлен новый строгий верхний предел на их поток.

Беллини говорит, что обнаружение нейтрино от цикла CNO также может решить «загадку металличности» состава атмосферы Солнца. Ученые создали 3D-модель атмосферы, которая хорошо согласуется с данными спектроскопии, и предсказывает на 30-40% меньше, углерода, азота, кислорода, неона и аргона на поверхности Солнца, чем альтернативная, менее сложная, 1D модель. Но есть и более поздняя модель, которая лучше соответствует данным гелиосейсмологии - изучение внутреннего строения Солнца с помощью волн давления, распространяющихся через него. По словам Беллини, наблюдения CNO-нейтрино должны урегулировать этот вопрос, так как предсказываемый этими моделями поток весьма чувствителен к обилию различных элементов в атмосфере Солнца.

Работа описана в журнале Physical Review Letters.

Об авторе

Эдвин Картлидж (Edwin Cartlidge), Рим.

Перевод: Олег Кириллов