Нейтрино показали главный источник энергии Солнца. На 99% это протон-протонные реакции
Группа Borexino выполнила самые точные измерения спектра солнечных нейтрино и подтвердила, что 99 процентов солнечной энергии производится в реакциях протон-протонного цикла, а также показала, что гипотеза высокой солнечной металличности подтверждается со статистической значимостью около 2 сигма. Для этого физики семь лет наблюдали за нейтрино с помощью детектора Borexino, заполненного 300 тоннами сверхчистого сцинтиллятора. Статья опубликована в Nature.
Большая часть энергии, которую производит Солнце, приходится на реакции протон-протонного цикла, в ходе которых ядра водорода превращаются в ядра гелия (примерно два процента можно объяснить реакциями CNO-цикла). Как правило, цикл начинается со слияния двух протонов и последующего бета-распада дипротона, в результате которого образуется ядро дейтерия, позитрон, и электронное нейтрино. Гораздо реже — примерно в 0,25 процентах случаев — дейтрон и нейтрино рождаются при столкновении двух протонов и электрона (pep-реакция). Затем ядро дейтерия поглощает еще один протон, превращается в ядро гелия-3 и испускает фотон.
После этого реакции могут пойти по одному из четырех сценариев. Во-первых, с вероятностью около 85 процентов ядра гелия-3 превращаются в ядро гелия-4 (ветвь ppI). Во-вторых, в 15 процентах случаев образование ядер гелия-4 происходит с участием промежуточных ядер лития-7 и бериллия-7 (ветвь ppII). В-третьих, с вероятностью около 10−5 в ходе промежуточных реакций могут образоваться ядра бериллия-8 (ветвь ppIII). Наконец, очень редко (вероятность порядка 10−7) ядро гелия-3 может поглотить протон и превратиться в ядро гелия-4 (hep-реакция). В среднем в ходе реакций выделяется около 18 мигаэлектронвольт энергии. Впервые эту модель предложили в 1937 году физики Георгий (Джордж) Гамов и Карл Вайцзекер (Carl Weizsäcker), а в дальнейшем ее развили Ханс Бете (Hans Bethe) и Чарльз Критчфилд (Charles Critchfield).
К сожалению, напрямую увидеть эти реакции невозможно, поскольку большая их часть происходит внутри Солнца. Тем не менее, их существование можно доказать косвенно — в пяти реакциях протон-протонного цикла рождаются электронные нейтрино, которые практически беспрепятственно проходят сквозь толщу Солнечного вещества. Впервые поток солнечных нейтрино теоретически рассчитал в 1964 году американский физик Джон Бакалл (John Bahcall). Получалось, что каждую секунду Солнце излучает порядка 1039 нейтрино — другими словами, через квадратный сантиметр поверхности, расположенный на Земле перпендикулярно солнечным лучам, каждую секунду пролетает около 6×1010 частиц. К сожалению, солнечные нейтрино имеют сравнительно низкую энергию, а потому они очень слабо взаимодействуют с веществом — их сечение рассеяния на электронах не превышает 10−44 квадратных сантиметров.
Поэтому долгое время ученые не могли поймать солнечные нейтрино, а потом долго не могли подробно изучить их свойства, поскольку набранная статистика была слишком маленькой. Несмотря на то, что к настоящему времени за исследования солнечных нейтрино вручены две Нобелевские премии по физике (2002 и 2015 года), а некоторые работы сообщали о регистрации нейтрино отдельных реакций протон-протонного цикла, полностью восстановить цикл ученым до сих пор не удавалось.
Группа Borexino, в которую входят, в том числе российские физики, наконец закрыла этот пробел, одновременно измерив нейтрино от всех реакций протон-протонного цикла, в которых они рождаются. Кроме того, с помощью собранных данных ученые проверили Стандартную Солнечную Модель — основную теоретическую модель, которая используется для описания происходящих на Солнце процессов. Для этого ученые использовали детектор Borexino — нейлоновую сферу диаметром 8,5 метров, которая заполнена 300 тоннами сверхчистого жидкого сцинтиллятора (псевдокумола) и просматривается 2200 фотоумножителями.
Когда нейтрино сталкивается с ядром сцинтиллятора, в нем выделяется небольшое количество энергии и рождаются фотоэлектроны, а фотоумножители отслеживают эти процессы. Чтобы снизить фоновое загрязнение от космических частиц, ученые установили детектор в подземной Лаборатории Гран-Сассо, расположенной на глубине 1400 метров. От распадов радиоактивных элементов, которые содержатся в горных породах, детектор защищает слой сверхчистой воды. Кроме того, сцинтиллятор очищен от радиоактивных элементов: в одном его грамме содержится менее 10−19 грамм урана-238 и 10−18 грамм тория-232. Благодаря этим мерам детектор может регистрировать нейтрино с энергиями вплоть до 0,2 мегаэлектронвольт, а его чувствительность превышает чувствительность любого другого нейтринного детектора (например, SuperKamiokande или SNO). Суммарно детектор Borexino проработал около 2000 дней (семь лет).
В результате ученые измерили энергетический спектр нейтрино, которые рождаются во всех пяти реакциях протон-протонного цикла, уточнили результаты предыдущих измерений и сделали несколько открытий. Во-первых, физики впервые измерили поток «бериллиевых» нейтрино, причем погрешность измерений составила около трех процентов, что в два раза меньше погрешности теоретических предсказаний Стандартной Солнечной модели. Во-вторых, со статистической значимостью около 5 сигма ученые подтвердили, что на Солнце идут pep-реакции (в результате которых сливаются два протона и электрон). Ранее статистическая значимость этой гипотезы была гораздо ниже. В-третьих, исследователи уточнили на 8 процентов скорость «борной» реакции из канала pepIII и других процессов.
Используя собранные данные, физики рассчитали относительные вероятности термоядерных реакций и подтвердили Стандартную Солнечную модель, в которой 99 процентов энергии производится в реакциях протон-протонного цикла. Также ученые попытались решить проблему солнечной металличности. Эта проблема заключается в том, что независимые измерения химического состава Солнца приводят к различным концентрациям «металлических» элементов (элементов тяжелее гелия) — а именно, современные спектроскопические наблюдения дают концентрацию примерно на 35 процентов ниже, чем оценки на основе гелиосейсмологических исследований. Используя найденные соотношения вероятностей реакций, ученые численно рассчитали химический состав солнца и показали, что со статистической значимостью около 2 сигма подтверждается гипотеза высокой солнечной «металличности». Впрочем, авторы статьи отмечают, что этого значения пока еще недостаточно, чтобы уверенно исключить вторую гипотезу.
Также исследователи оценили вероятность того, что солнечные электронные нейтрино «выживут» по пути к Земле, то есть не успеют превратиться в мюонные и тау-нейтрино в результате осцилляций. Оказалось, что эти вероятности тоже хорошо согласуются с теоретическими предсказаниями.
Хотя нейтрино очень слабо взаимодействуют с веществом, их все-таки можно поймать и изучить, если построить огромный детектор, заполненный сотнями тонн вещества (каждая из которых содержит порядка 1030 нуклонов, с которыми может столкнуться нейтрино). Например, детектор NOvA, который состоит из 344 тысяч ячеек, заполненных жидким сцинтиллятором, весит более 14 тонн, а масса жидкого аргона детектора ProtoDUNE достигает 800 тонн. В будущем Европейская организация по ядерным исследованиям (CERN) планирует включить эту установку в состав еще более чувствительного детектора DUNE, масса которого будет превышать 40 тысяч тонн. Кроме того, иногда ученые используют в качестве детекторов нейтрино природные массивы — например, антарктический лед, морскую воду или даже внутренности Земли. Тем не менее, иногда ученым удается поймать нейтрино с помощью детекторов гораздо меньшей массы — так, в сентябре прошлого года группа COHERENT впервые зарегистрировала процесс упругого когерентного рассеяния нейтрино, используя миниатюрный детектор объемом около трех литров и массой менее 15 килограмм.
Ранее ученые уже использовали детектор Borexino, чтобы наблюдать за нейтрино, которые рождаются внутри Земли в ходе ядерных реакций, а также построить первую глобальную карту антинейтрино.
Дмитрий Трунин
Какую физику несут на себе маркерные доски из игры Control
Мнение редакции может не совпадать с мнением автора
Есть такая вещь — профдеформация. В моем случае она приняла довольно необычную форму. В марте у меня вышел материал, в котором я разобрал содержание маркерных досок в интерьерах института Black Mesa из ремейка первой части Half-Life. Досок в игре больше тридцати, на их исследование у меня ушло довольно много времени и сил. С тех пор я замечаю доски везде — и в мире реальном, и в мире виртуальном — и начинаю их внимательно изучать. Например, когда у меня случилась командировка в новосибирский Институт ядерной физики имени Будкера, я пристально рассматривал местные доски, вместо того чтобы слушать о том, как работает тамошний электрон-позитронный коллайдер. А вернувшись домой, я поставил Control. Этот шутер от третьего лица, разработанный финской студией Remedy Entertainment, рассказывает историю простой (но на самом деле не совсем) девушки Джесси, которая внезапно становится директором Федерального Бюро Контроля — секретной правительственной организации, которая занимается поиском, изучением и контролем за сверхъестественными предметами и явлениями. Новая должность открывает для нее связи с неким потусторонним управляющим органом под названием Совет, о котором нам мало что известно. Его символизирует черная перевернутая пирамида, с которой Джесси регулярно будет взаимодействовать. Игра вдохновлена коллективным творчеством людей из проекта SCP Foundation, который возник в темных глубинах имиджбордов лет 15 назад (а то и больше) и продолжает пополняться новыми записями по сей день. В «Контроле» значительную часть персонала Бюро составляют ученые. А где ученые, там должны быть лаборатории, а внутри, естественно, должны быть доски, на которых что-то написано. Лаборатории и доски по мере прохождения игры ты действительно встречаешь здесь и там. Правда, есть несколько странностей. Львиная доля непустых досок посвящена физике или математике. Причем физика там встречается весьма современная — это мы с вами еще увидим. Вместе с тем, в локациях почти невозможно найти хоть какой-нибудь физический прибор, повсюду только камеры да антенны. Более того, игровая вселенная дает технологиям в Бюро ограничение сверху: приборы и гаджеты не должны быть совершеннее, чем оборудование, бывшее в ходу в 1970-е годы. Это якобы связано с особенностями Старейшего дома — здания с паранормальными свойствами, в котором расположено Бюро. Странным также кажется отсутствие биологических досок, хотя этому аспекту происходящего уделяется в игре довольно много времени. Все маркерные доски в Control можно разбить на три группы: пустые доски, доски с ненаучным — сюжетным — содержанием, доски с физикой/математикой. Вторая категория интересна тем, что каждая такая доска есть только в одном экземпляре и все они содержательно связаны с местами, в которых установлены. Их чтение позволяет глубже проникнуть в сюжет и законы игрового мира. Научные же доски, напротив, повторяются из локации в локацию, а также не имеют отношения к тому, в каком месте стоят. По сути, как и пустые доски, это просто элементы интерьера. Их всего десять. Как я искал доски Поначалу я фиксировал местоположение в игре каждой уникальной доски с научным содержанием, но в конечном итоге просто обратился к ресурсам игры, распаковав их с помощью вот этой программы. Именно эти текстуры, конвертированные в графический формат, представлены ниже. Помимо этого, я пытался взять комментарий у людей, имевших отношение к созданию игры. Remedy мне не ответили, зато откликнулся один из сотрудников российской студии Blacksteinn, который участвовал в разработке в статусе Texture Artist. Увы, именно досками он не занимался и помочь мне не смог. В конечном итоге цепочка оборвалась на украинской студии Room 8, которые также работали над игрой. На момент написания этого текста ответ от них я так и не получил. Поэтому высококачественных исходников досок, в отличие от прошлого раза, добыть не удалось. Но качество изображений хотелось все же улучшить. Поскольку я профан в этом деле, я напрямую спросил у ChatGPT, на каком сайте можно бесплатно сделать апскейл изображений низкого разрешения с рукописным текстом. Бот посоветовал мне ресурс, который использует программный пакет с замечательным названием waifu2x. «Он был изначально разработан для увеличения разрешения аниме-изображений, но также хорошо работает с рукописными текстами», — написал мне бот. Не соврал. Чтобы увидеть улучшенное изображение, нажмите на лупу во время просмотра картинок. Доски Эта доска состоит из двух частей. В верхней части приведены параметры магнитооптического и зеемановского замедлителей, используемых в ловушках для атомов рубидия. В этом легко убедиться, если открыть диссертацию французского физика Лукаса Бегина, откуда они были переписаны от руки (см страницу 45). Лукасу я написал письмо, но ответа так и не получил. Отличаются лишь подписи к параметрам: «MOT parameters» и «Zeeman parameters» заменены на «control parameters» и «triangle parameters». Эти термины не имеют отношения к атомным ловушкам, их скорее можно встретить в работах по численным вычислениям. Впрочем, здесь едва ли имеет смысл копать так глубоко: слово control — одно из самых главных в словаре игры, а triangle может быть отсылкой к черной перевернутой пирамиде. В нижней части изображен рисунок к хрестоматийной задаче механики о скольжении бруска по наклонной плоскости. Его можно встретить практически в любом пособии или учебнике. Самая первая схема иллюстрирует перемещение материальной точки в декартовой системе координат из точки e в точку a по прямой; приведены формулы для векторов скорости и ускорения в дифференциальном виде. Это все простая механика, а точнее — кинематика. Все остальное не имеет очевидного или однозначного отношения к физике. Кое-что, однако, можно сказать про список имен. Это сотрудники Remedy, которые делали дизайн уровней. Я списался с, как мне показалось, руководителем этой команды, Масао Огино, но он ответил, что текстурами занимались другие люди — кто именно, он не вспомнил. Для этой доски авторы перерисовали картинку из вот этой статьи в Communications Physics. Эта статья также посвящена охлаждению атомов рубидия, однако она напрямую не связана с диссертацией выше, а их авторы не работали вместе. В этом исследовании физики изучали наведенный светом магнетизм в атомах, запертых в узлах оптической решетки. Авторы статьи ответили, что не знали об использовании их работы в игре, но в целом были обрадованы этим фактом — особенно те, что помоложе, — а руководитель группы даже похвастался моей находкой у себя в твиттере. Слева приведена школьная таблица производных от обратных тригонометрических функций. В англоязычных источниках их часто обозначают через минус первую степень. Система выражений справа имеет более специфичную природу. Это формула для функции оптических потерь звездной короны в зависимости от ее температуры, взятая, по-видимому, отсюда. Зависимость выглядит довольно причудливой; на соответствующий график можно посмотреть здесь. Картинка снизу выглядит как иллюстрация к простой кинематической задаче. Ее источник мне найти не удалось. Еще один образец научной дизайн-эклектики. Слева мы видим рисунок, который встречается в уже знакомой нам диссертации Лукаса Бегина, — это схема фиксации атомов в луче света. Справа — выражения и график, описывающие пульсацию в выпрямителе напряжения. Целиком этот кусок можно найти на сайте с вопросами для инженеров-электриков, а также в отрывке какого-то учебника (какого конкретно — мне выяснить не удалось). Снизу — тоже электрические цепи, но уже более простого уровня. Удивительно, где я нашел источник этого изображения — это кадр из YouTube-видео (на 65 секунде), на котором разбирается школьная задача о последовательном и параллельном соединении конденсаторов. Я не сразу нашел источник этого изображения, но все-таки выяснил, что изначально оно было создано разработчиками или дизайнерами Ziteboard — кроссплатформенной интернет-доски. С помощью математических выкладок они демонстрировали работоспособность их детища. Человек с ником Skalkaz выложил некоторые из них в Викимедию, откуда, по видимому, их взяли работавшие над Control люди (ниже будет еще одна такая доска). Этим человеком оказался один из членов команды Ziteboard (вероятно, даже руководитель, кстати, физик по образованию). Он очень удивился использованию своих артов и был польщен. Skalkaz обещал, что найдет время, чтобы пройти игру и найти в ней свои доски. Формулы сверху слева описывают окислительно-восстановительный процесс, в котором медь растворяется, а серебро, наоборот, выпадает в осадок. Если захочется подробнее почитать об этом, источник вот в этом онлайн-справочнике. Ниже — школьные формулы для физики волн с чьей-то презентации, есть тут. Справа виднеются формулы для верхней (UCL) и нижней (LCL) контрольных границ. Эти величины вводят в теории управления различными процессами. Там они нужны, чтобы контролировать параметры этих самых процессов (смотрите, опять control). В таком виде формулы встречаются во множестве мест, например здесь. Последний рисунок — иллюстрация к дифракции на щели. Его можно найти в учебном пособии Бостонского университета. Слева приведена таблица некоторых ядерных превращений и количество энергии, которая при этом образуется. Целиком таблицу можно увидеть в справочнике университета штата Джорджия (нужен VPN). В правой части иллюстрация к явлению конструктивной интерференции волн. В самом начале нас встречает выражение для гамильтониана множества взаимодействующих частиц в координатном представлении, записанное в общей форме. В таком виде его можно встретить во множестве учебников по квантовой механике, например, здесь. Ниже мы видим стационарное уравнение Шрёдингера для массивной частицы в некотором потенциале. Ошибка в фамилии великого физика (Shrodinger вместо Schrödinger) существенно сужает поиск источника: формула взята либо отсюда, либо из этого видео. Наконец, справа размещено очень громоздкое дифференциальное уравнение второго порядка. Его источник найти не удалось, но, судя по обозначениям, это часть какой-то задачи из релятивистской квантовой механики электрона — похожие обозначения можно найти тут. Это вторая доска, позаимствованная у Ziteboard. Ее можно найти на Викимедии, погуглив вместе слова «typical», «mathematical» и «whiteboard». Подозреваю, что именно таким путем эта и шестая доски попали в игру. Комментируя эту гипотезу, Skalkaz отметил, что много лет назад он выбирал такое название для файлов из SEO-соображений и теперь рад, что не прогадал. Помимо обычной перестановки формул и графиков авторы текстуры сделали еще одно небольшое изменение. Обратите внимание на левый верхний угол: в отрывке, посвященному формированию дождя, оригинальная гора была заменена на прямоугольную конструкцию с синей точкой внизу. Осмелюсь предположить, что конструкция — это тот самый Старейший дом, прототипом которого стало здание по адресу Нью-Йорк, Томас-Стрит, 33. В этом случае синяя точка может быть Розовым Фламинго — предметом с паранормальными свойствами, который способен вызывать дождь. Что-то еще? Да. Кроме маркерных досок в игре можно найти классические меловые. Все три — уникальные и встречаются только раз. Одна из них имеет сюжетное наполнение, другая содержит шифр, разгадав который, первые три игрока могли получить бесплатную цифровую копию музыкального альбома группы «Socks and Ballerinas». Третья же доска имеет несколько более глубокое научное содержание. На ней изображена одна из реакций синтеза метамфетамина. Надпись «BLUE» подсказывает, что это отсылка к сериалу Breaking Bad, герои которого занимались изготовлением голубого метамфетамина. Эту пасхалку подтверждает и антураж лаборатории, в которой висит доска. Кроме досок, кое-какую научную информацию можно найти на разнообразных тетрадных листках и блокнотах. Здесь по большей части электротехника, связанная с записью на магнитные ленты и передачей аналоговых сигналов. На втором листке внизу можно заметить шкалу звуковых волн. Это, кстати, единственная физика, хоть как-то связанная с сюжетом игры. Согласно ему, в Старейший дом проникают враждебные силы, имеющие акустическую природу — как ни странно, надписи на белых маркерных досках практически ничего нам об этом не говорят. Последнее, что есть научного в текстурах игры, это небольшие блокнотные зарисовки. Что в итоге? Несмотря на свою схожесть, маркерные доски в Control и Black Mesa сильно отличаются по своей роли и организованности. Здесь они никак не связаны ни с сюжетом, ни с помещением, в котором их может найти Джесси. Они гораздо более эклектичны и собирают порой физику и математику совсем разных областей и уровней. Наконец, они не уникальны и повторяются. Причина, по которой все они имеют физико-математическую направленность, остается загадкой. Любопытно также, почему сложность содержания варьируется от школьных задач до фундаментальной квантовой теории. Вполне вероятно, что это эхо работы над предыдущей игрой Remedy — Quantum Break, где физике уделено гораздо больше сюжетного времени. Надеюсь, в будущем я найду время рассказать вам и про этот шутер.