Функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям (Роспечать)

Нейтрино показали главный источник энергии Солнца. На 99% это протон-протонные реакции

Фотография детектора Borexino

The Borexino collaboration / Nature

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

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.