Ядерная реакция, о которой молчали ранее: солнечные нейтрино меняют наше понимание Вселенной

Сверхлёгкие частицы, которые непрерывно излучает Солнце, впервые помогли напрямую подтвердить одну из самых редких ядерных реакций, о которой физики десятилетиями говорили только в теории.

Фото: commons.wikimedia.org by NASA Goddard Space Flight Center from Greenbelt, MD, USA, https://creativecommons.org/public-domain/pdm/

Солнце

Речь идёт о столкновениях солнечных нейтрино с ядрами тяжёлого изотопа углерода-13, составляющего лишь малую часть обычного углерода. Новый результат показал, что нейтрино способны вступать в такие реакции даже при очень низких энергиях и тем самым расширил наше понимание того, как ведут себя эти призрачные частицы. Об этом рассказали учёные, работающие с детектором SNO+ и пресс-служба Оксфордского университета.

Новая страница в исследовании нейтрино

Нейтрино называют одними из самых загадочных частиц во Вселенной: они почти не взаимодействуют с веществом и пролетают сквозь планеты, звёзды и людей, как будто тех просто нет. Тем ценнее каждый зафиксированный случай, когда нейтрино всё-таки сталкивается с атомом и оставляет след в детекторе. В новом эксперименте физикам удалось впервые увидеть, как так называемые "борные" солнечные нейтрино вступают в реакцию с ядрами углерода-13, порождая нестабильный азот-13, который тут же распадается и даёт вспышки света. Теоретики давно предсказывали возможность такой реакции, но до сих пор она оставалась лишь расчётом на бумаге.

Подтверждение этого сценария важно сразу по двум причинам. Во-первых, оно показывает, что наши модели взаимодействий нейтрино на низких энергиях работают верно, и значит, на них можно опираться при описании процессов в ядрах звёзд. Во-вторых, оно открывает новый канал, через который можно изучать свойства самих нейтрино и внутреннее устройство Солнца, используя данные с уже работающих подземных детекторов.

Как устроен детектор SNO+ глубоко под землёй

Эксперимент SNO+ (Sudbury Neutrino Observatory Plus) расположен в Канаде, в районе города Садбери, на глубине около двух километров под землёй, в выработках старой никелевой шахты. Такая глубина нужна не ради эффектного антуража, а чтобы защитить чувствительную установку от космических лучей и естественной радиоактивности, которые на поверхности создают мощный фон и "забивают" сигнал.

Сердце детектора — гигантская акриловая сфера, заполненная специальной органической жидкостью, так называемым жидким ароматическим углеводородом. Это вещество играет роль сцинтиллятора: когда в нём происходит ядерная реакция, часть энергии переходит в короткие вспышки света. Вокруг сферы установлены тысячи фотодатчиков, которые улавливают эти слабые вспышки и позволяют по ним восстановить, где именно и с какой энергией произошло событие.

Обычно SNO+ регистрирует взаимодействия нейтрино с протонами (ядрами водорода), входящими в состав сцинтиллятора. В таких редких столкновениях нейтрино выбивает из ядра частицы, появляются нейтроны и фотоны, а детектор фиксирует характерную последовательность вспышек. Но в составе сцинтиллятора присутствуют и атомы углерода, в том числе изотоп углерод-13, который и стал "мишенью" в новом анализе.

Что такое "борные" нейтрино и роль углерода-13

Солнечные нейтрино рождаются в термоядерных реакциях внутри звезды, когда лёгкие ядра сливаются в более тяжёлые. Основной поток — это нейтрино от слияния протонов, но существует и более энергичный подтип, связанный с распадом ядер бора-8. Такие частицы и называют "борными" нейтрино. Они особенно интересны физикам, потому что ощущают условия в самых горячих слоях солнечного ядра и служат точным тестом моделей строения Солнца.

Углерод-13 — стабильный тяжёлый изотоп углерода, в ядре которого на один нейтрон больше, чем у привычного углерода-12. На долю углерода-13 приходится около 1% от всей массы углерода во Вселенной, но этого достаточно, чтобы такие ядра присутствовали и в веществе детектора. Теоретические расчёты предсказывали, что "борное" нейтрино может столкнуться с ядром углерода-13 и превратить его в нестабильный азот-13. Тот в свою очередь быстро распадается с испусканием позитрона и нейтрино, оставляя в сцинтилляторе заметный оптический след.

Проблема в том, что вероятность такого взаимодействия чрезвычайно мала. На гигантский поток проходящих через установку нейтрино приходится лишь считанные единичные события в год, поэтому их нужно вылавливать почти по крупицам, аккуратно отсекая все возможные фоновые процессы.

Как физики "вытащили" пять событий из года данных

Чтобы проверить, существует ли реакция "борное нейтрино + углерод-13" в реальности, команда SNO+ проанализировала данные, собранные детектором с мая 2022 по июнь 2023 года. За этот период установка непрерывно регистрировала все вспышки света в сцинтилляторе и записывала информацию о времени, интенсивности и распределении сигналов по фотодатчикам.

Дальше началась самая кропотливая часть работы — отделить потенциальные события с участием углерода-13 от всего остального. Физики последовательно вырезали фон от радиоактивных примесей, естественных распадов элементов, случайных совпадений сигналов и других известных типов взаимодействий. После многоступенчатой фильтрации и сравнения с компьютерными моделями осталось всего пять событий, которые по своим характеристикам совпадают с ожиданиями для столкновений "борных" нейтрино с ядрами углерода-13.

Число кажется микроскопическим, но именно так и должно быть, если теория верна: расчёты предсказывали сопоставимую частоту таких реакций для параметров SNO+. То, что эксперимент дал согласующийся результат, фактически означает первое прямое наблюдение этой сверхредкой ядерной реакции. А заодно — подтверждение того, что нейтрино способны эффективно взаимодействовать с атомами углерода на сравнительно низких энергиях.

Для физиков это важный шаг к более тонким проверкам стандартной модели и теорий, описывающих, как ведут себя частицы в недрах звёзд. Каждый новый измеренный канал взаимодействия помогает уточнять параметры, которые затем используются и в астрофизике, и в космологии, и в прикладных расчётах.

Сравнение методов: как ещё ловят нейтрино

SNO+ - не единственный эксперимент, охотящийся за нейтрино глубоко под землёй или подо льдом. У разных установок разные задачи, и это отражается в том, какие материалы они используют и на какие энергии частиц ориентированы.

Один из подходов — водные черенковские детекторы. В таких установках (как Super-Kamiokande в Японии) огромный объём ультра-чистой воды окружён фотодатчиками. Когда быстрый заряженный продукт взаимодействия нейтрино движется в воде быстрее скорости света в этой среде, он испускает черенковское излучение — характерный голубой световой конус, который и фиксируют датчики.

Другой подход — сцинтилляционные детекторы, где роль рабочей среды играет органическая жидкость или кристаллы, испускающие свет при прохождении через них частиц. SNO+ относится как раз к этому типу. Сцинтилляторы позволяют лучше видеть события с относительно низкими энергиями и детальнее анализировать их структуру.

Наконец, есть гигантские установки в льду или в солёной воде, например IceCube на Южном полюсе, которые ориентированы на регистрацию высокоэнергичных космических нейтрино. Они используют природный лёд как прозрачную среду и детектируют редкие вспышки света от частиц, пролетающих через толщу антарктического льда.

Различия между этими подходами позволяют "покрывать" разные энергетические диапазоны и типы нейтрино, а результаты экспериментов дополняют друг друга, формируя более полную картину.

Плюсы и минусы подземных нейтринных обсерваторий

Подземные детекторы вроде SNO+, Super-Kamiokande или будущих мегапроектов обладают своими ярко выраженными достоинствами и ограничениями. Если рассматривать их с точки зрения фундаментальной науки и практики эксплуатации, картина выглядит так.

С одной стороны, у таких установок есть очевидные плюсы:

• высокая защита от фонового излучения за счёт толщ слоёв породы над детектором;

• стабильные условия работы (температура, влажность, радиационный фон);

• возможность регистрировать крайне редкие события, которые на поверхности просто утонули бы в шумах.

С другой стороны, подземный формат несёт и сложные стороны:

• строительство и обслуживание инфраструктуры в шахте или горном массиве технически сложно и дорого;

• модернизация требует длительных остановок и аккуратной логистики;

• расширение объёма детектора зачастую ограничено геологией и размерами подземных полостей.

Для фундаментальной физики плюсы обычно перевешивают минусы, потому что альтернативы для регистрации настолько редких взаимодействий пока не придумано. Но при планировании новых проектов инженерам и физикам приходится постоянно искать баланс между чувствительностью, стоимостью и технической реализуемостью.

Популярные вопросы о солнечных нейтрино и эксперименте SNO+

Опасны ли для человека потоки солнечных нейтрино?
Нет. Через каждую точку вашего тела ежесекундно пролетают триллионы нейтрино, но подавляющее большинство из них вообще никак не взаимодействует с атомами. Для человека это абсолютно незаметный процесс.

Зачем строить дорогие подземные детекторы ради нескольких событий в год?
Потому что каждое такое событие несёт информацию о фундаментальных свойствах частиц и процессов в недрах звёзд. Без точных данных невозможно проверять и уточнять теории, на которых потом строятся и другие разделы физики, и прикладные технологии.

Почему именно углерод-13 оказался важен в этом эксперименте?
Этот изотоп присутствует в составе сцинтиллятора и обладает подходящими ядерными свойствами: при столкновении с нейтрино он превращается в азот-13, который быстро распадается и создаёт заметный световой сигнал. Это делает редкую реакцию удобной для поиска.

Будут ли теперь строить отдельные детекторы, ориентированные на реакции с углеродом-13?
Пока задача состояла в том, чтобы подтвердить теоретический прогноз и уточнить параметры взаимодействия. В будущем возможны специализированные эксперименты, но уже сейчас результат можно использовать при интерпретации данных существующих установок.

Как этот результат помогает понять строение Солнца?
Чем точнее мы знаем, как нейтрино взаимодействуют с веществом, тем надёжнее можем расшифровывать их поток, приходящий с Солнца. Это помогает уточнять температуру, состав и процессы в солнечном ядре и сверять модели звёздной эволюции с реальностью.