Физики впервые подтвердили регистрацию солнечных нейтрино CNO-цикла

Анализ данных детектора Borexino впервые позволил физикам подтвердить обнаружение нейтрино, которые образуются внутри Солнца в ходе CNO-цикла. Регистрация этих частиц является экспериментальным свидетельством протекания ядерных реакций этого типа в недрах звезд, а дальнейшие исследования позволят уточнить химический состав Солнца. О результатах ученые сообщили на виртуальной конференции «Neutrino 2020», их публикация в рецензируемом журнале на данный момент отсутствует.

Обновлено: в ноябре 2020 года статья опубликована в Nature.

CNO-цикл — это совокупность ядерных реакций, в ходе которых водород превращается в гелий при участии углерода (C), азота (N) и кислорода (O). Ученые полагают, что этот цикл является одним из основных процессов термоядерного синтеза для массивных звезд главной последовательности, но происходит и в недрах более легких светил — в том числе внутри Солнца.

Поскольку наблюдать внутренности звезды напрямую невозможно, информацию о термоядерных процессах физики получают при помощи косвенных измерений. Источником данных здесь выступают нейтрино — чрезвычайно легкие (энергия покоя оценивается в менее чем 0,12 электронвольт) элементарные частицы, которые, в частности, становятся продуктами реакций CNO-цикла. Особенность нейтрино заключается в том, что они очень слабо взаимодействуют с веществом.

С одной стороны, это упрощает работу ученых — испущенные в недрах светила частицы практически беспрепятственно доходят до наблюдателя и при этом почти не теряют энергию — согласно оценкам, через каждый квадратный сантиметр вблизи поверхности Земли пролетают десятки миллиардов нейтрино в секунду (из них сотни миллионов рождены в CNO-цикле). С другой стороны, существенно усложняется регистрация частиц — из колоссального числа нейтрино лишь малая часть взаимодействует с веществом. Чтобы обнаружить достаточное число событий, необходимо строить массивные детекторы, тщательно изолировать их от шума и продолжать эксперимент вплоть до нескольких лет.

Участники проекта Borexino под руководством Джаокино Рануччи (Gioacchino Ranucci) из Национального института ядерной физики в Италии провели обработку данных нейтринного детектора в период с июля 2016 по февраль 2020 года. Установка оснащена несколькими слоями защиты, каждый из которых отсеивает фоновые частицы космического излучения и земной радиоактивности. В центральной части детектора расположен шар из 280 тонн жидкого сцинтиллятора в нейлоновой оболочке, который окружают 2200 фотоэлектронных умножителей (ФЭУ).

При рассеянии нейтрино на электронах сцинтиллятора возникает излучение, которое ФЭУ регистрируют и преобразуют в выходной сигнал — по его амплитуде можно определить энергию обнаруженной частицы. Установка позволяет ежедневно регистрировать порядка ста событий, однако трудность заключается в том, что детектор улавливает нейтрино сразу от всех возможных процессов — начиная от протон-протонного цикла, который составляет основу термоядерных реакций в Солнце, и заканчивая радиоактивными распадами в земных недрах. Чтобы в распределении событий по энергии выделить нейтрино CNO-цикла, необходимо привлекать теоретические модели и с большой точностью вычислять вклады фоновых реакций в суммарный поток частиц.

Проделав такие вычисления и обработав с их помощью многолетнюю статистику детектора, физики впервые смогли надежно подтвердить регистрацию нейтрино CNO-цикла — по словам авторов, статистическая значимость гипотезы достигла уровня 5σ. Таким образом, ученые получили первое достоверное экспериментальное свидетельство термоядерных реакций этого типа в недрах звезды. Будущие исследования позволят на основе таких данных уточнить содержание углерода, азота и кислорода в составе Солнца и, вероятно, получить дополнительные сведения о физике звезд.

Ранее мы рассказывали о том, как установка Borexino позволила определить долю энергии протон-протонного цикла в Солнце и оценить разогрев Земли от ядерных распадов в мантии планеты. Подробнее об истории нейтринного эксперимента можно узнать в материале «Лаборатория под горой».

Николай Мартыненко