Ученые засекли «призрачные» нейтрино, существование которых было предсказано почти 100 лет назад
Солнце испускает мощный поток нейтрино каждую секунду, но даже среди этих частиц есть свои «белые вороны», засечь которых удалось лишь с помощью самой современной техники
Нейтрино — это сверхлегкие частицы, образующиеся в процессе ядерных реакций. Большинство из тех, что были обнаружены на Земле, исходят от Солнца, которое превращает водород в гелий. Но в 1930-х годах было предсказано, что Солнце должно также производить нейтрино другого типа посредством реакций с участием углерода, азота и кислорода — так называемые «нейтрино CNO». И лишь почти век спустя детектор Borexino впервые обнаружил эти частицы.
Реакция CNO выделяет лишь крошечную часть от общего количества солнечной энергии, но у более массивных звезд она считается основной движущей силой термоядерного синтеза. Экспериментальное обнаружение нейтрино CNO означает, что ученые наконец получили связь между последними частями головоломки и могут расшифровать весь цикл солнечного термоядерного синтеза.
«Подтверждение того, что CNO осуществляется в процессе термоядерной активности нашей звезды, где подобные реакции занимают не более 1%, укрепляет нашу уверенность в том, что мы точно понимаем, как работают звезды», — признался Франк Калаприс, главный исследователь Borexino.
Обнаружение нейтрино CNO было непростой задачей. Хотя около 65 миллиардов солнечных нейтрино ежесекундно поражают каждый квадратный сантиметр поверхности Земли, они очень редко взаимодействуют с веществом - фактически, нейтрино просто проходят через материю планеты.
Детекторы нейтрино предназначены для отслеживания тех редких случаев, когда эти «призрачные частицы» случайно сталкиваются с другими атомами. Обычно в таких устройствах используются огромные объемы детекторной жидкости или газа, которые испускают вспышку света при «ударе» нейтрино. Подобные эксперименты обычно проводятся внутри камеры глубоко под землей, вдали от помех и воздействия других космических лучей.
К сожалению, нейтринные сигналы CNO еще труднее обнаружить, чем более обычные солнечные нейтрино. Все потому, что их сигнатуры очень похожи на сигнатуры собственных частиц, производимых огромным нейлоновым баллоном, в котором заключены жидкие углеводороды, — именно эту установку Borexino использует в качестве детектора.
Чтобы обойти эту проблему, команда потратила годы, регулируя температуру инструмента, чтобы замедлить движение жидкости внутри детектора, и сосредоточилась на сигналах, исходящих из центральной области контейнера. В феврале 2020 года команда наконец-то уловила искомый сигнал и потратила почти год на его расшифровку и на то, чтобы удостовериться в отсутствии ошибок.
С тех пор центральная часть детектора была модернизирована и стала еще более чувствительной, что может позволить и дальше изучать необычные нейтрино. Эти данные могут не только улучшить наше понимание цикла слияния звезд, но и помочь ученым выяснить, насколько «металлическими» являются Солнце и другие звезды.