Нейтринная картина Солнца завершена

Десять лет наблюдений в рамках эксперимента Borexino помогают лучше понять, как светит Солнце.

Исследователи международного эксперимента Borexino, в котором принимают участие и российские физики, представили результаты десяти лет нейтринных исследований. Анализ данных, собранных более чем за 2000 дней, позволил впервые измерить все потоки солнечных нейтрино от различных реакций в недрах Солнца. Полученные результаты дают более глубокое понимание термоядерных процессов, протекающих внутри Солнца, и в целом подтверждают теоретические предсказания Стандартной солнечной модели.

По современным представлениям, 99% энергии, производимой Солнцем, высвобождается в процессе трёх возможных последовательностей ядерных реакций так называемого протон-протонного цикла. В этих термоядерных реакциях атомы водорода превращаются в атом гелия с выделением большого количества различных частиц и электромагнитного излучения, включая свет и тепло. Среди них есть и два электронных нейтрино. 

Нейтрино – единственные из частиц, рождающихся в центре Солнца, которые долетают до Земли в неизменном виде. Они способны проходить через вещество и магнитные поля и доносить до нас информацию о термоядерных процессах внутри Солнца.

Нейтрино испытывают осцилляции – квантовый процесс перехода из одного типа в другой. Вероятность этого процесса зависит от их энергии и ряда других параметров. Рождающиеся в различных реакциях на Солнце нейтрино обладают разными энергиями. Наблюдая за ними, можно не только изучать нейтринные осцилляции, но также искать возможные эффекты за пределами Стандартной модели физики частиц – такие, как нестандартные взаимодействия нейтрино и переходы нейтрино в так называемое стерильное состояние.

Для регистрации нейтрино в мире существует несколько мегаустановок, среди которых детектор Борексино (Borexino) – один из самых чувствительных. Он расположен глубоко под землёй в лаборатории Гран Сассо (Италия). Детектор представляет собой нейлоновую сферу диаметром 8,5 метров, заполненную 300 тоннами очень чистого жидкого органического сцинтиллятора, окруженную 1000 тонн воды и еще многими слоями защиты. Благодаря этому радиационный фон внутри детектора, способный помешать измерениям, в 100 миллиардов раз ниже, чем в окружающей среде. Нейтрино под силу преодолеть такую систему защиты и вступить в реакцию со сцинтиллятором. За этим процессом «наблюдают» 2200 датчиков – фотоумножителей.

В отличие от всех других экспериментов с солнечными нейтрино, Борексино –единственный детектор на Земле, способный наблюдать солнечные нейтрино и высоких, и низких энергий одновременно. Это позволяет исследовать солнечное ядро с помощью  нейтринной спектроскопии. Измерение относительного вклада трёх различных последовательностей протон-протонного цикла, определенного из эксперимента Borexino, можно использовать для определения температуры в солнечном ядре, которое сложно изучать с помощью гелиосейсмологии.

Детектор смог впервые измерить поток нейтрино от Солнца с уникально высокой точностью 2,7% – в два раза более высокой, чем теоретические предсказания Стандартной солнечной модели. Использовав измеренный поток нейтрино для расчёта полной мощности, генерируемой ядерными реакциями в ядре Солнца, исследователи ещё раз доказали, что ядерный синтез действительно является источником энергии на Солнце. Образно говоря, теперь мы стали лучше понимать, как и почему светит Солнце.

Среди прочих результатов исследования можно отметить новые сведения о металличности Солнца (то есть о содержании элементов тяжелее гелия). Возможно, это послужит первым шагом в решении давней научной проблемы с определением точного химического состава Солнца. Дело в том, что данные о концентрации элементов тяжелее гелия на Солнце, полученные путём спектроскопии и методами гелиосейсмологии, противоречат друг другу.  Более того, самые последние спектроскопические определения металличности дали значение на 35% ниже, чем более старые спектроскопические результаты. Исследования на детекторе Борескино указывают на высокую металличность. Однако результаты еще недостаточно точны, чтобы дать здесь однозначный ответ. (Ожидается, что Борексино продолжит собирать давать информацию о Солнце до 2020 года.) Полностью исследование опубликовано в Nature.

Российские физики внесли существенный вклад в развитие проекта в виде разработки, изготовления и внедрения электроники для сбора данных и мониторинга детектора, алгоритмов моделирования и анализа данных. В составе Борексино функционирует разработанный российскими исследователями электронно-измерительный комплекс на базе быстрых оцифровщиков формы импульса.

От России в проекте участвуют сотрудники НИИЯФ имени Д. В. Скобельцына при Московском государственном университете имени М. В. Ломоносова, Национального исследовательского центра «Курчатовский институт», работающие на площадках в Москве и Санкт-Петербурге, а также Объединенного института ядерных исследований.