Ученые в лаборатории смогли заглянуть в «душу» Солнца

Международный коллектив исследователей, в котором присутствуют и российские ученые, представил результаты своих исследований низкоэнергетических солнечных нейтрино в условиях земной лаборатории. В отличие от поверхности Солнца, излучающего в основном фотоны, центр звезды испускает главным образом нейтрино. За восемь минут эти частицы достигают Земли со скоростью, близкой к световой (вопрос о скорости и массе нейтрино остается открытым).

«Если глаза — зеркало души, то с помощью этих нейтрино мы ищем не только «лицо», но и ядро Солнца. Мы заглянули прямо в «душу» Солнца», — заключил Андрэа Покар (Andrea Pocar), один из участников исследования, опубликованного в журнале Nature.

Основная трудность, которую не могли разрешить ученые, заключалась в том, что солнечных нейтрино, регистрируемых на Земле, оказалось примерно в три раза меньше, чем предсказывает cтандартная модель Солнца. Как считается, это связано с тем, что по пути от Солнца до Земли электронные нейтрино осциллировали в мюонные и таонные нейтрино, а также с эффектом Михеева-Смирнова-Вольфенштейна. Кроме того, нейтрино участвуют только в слабом (и, вероятно, гравитационном) взаимодействии, поэтому их чрезвычайно трудно наблюдать в эксперименте. Ученым удалось существенно продвинуться в экспериментальном доказательстве правильности современных взглядов на природу солнечных нейтрино и подтвердить стандартную модель звезды.

Физики смогли в рамках эксперимента Borexino наблюдать низкоэнергетические нейтрино, образующиеся в центре Солнца. Ученые регистрировали нейтрино, которые образуются в результате взаимодействия двух протонов. В таком процессе кроме низкоэнергетической частицы образуется дейтерий — изотоп водорода. Непосредственно на установке регистрировались следы электрон-нейтринного рассеяния (электрон, как и нейтрино, относится к классу лептонов и поэтому участвует в слабом взаимодействии).

В рамках эксперимента Borexino физики изначально планировали исследовать солнечные нейтрино, образующиеся в результате реакции бериллия-7 с электроном. В результате такого процесса рождаются литий-7 и электронное нейтрино.

Borexino — единственный детектор, который позволяет наблюдать весь спектр нейтрино (электронное, таонное и мюонное) всех энергий. Установка находится в известняковой горе (с низкой естественной радиацией) высотой около 1400 метров в 200 километрах от Рима (Италия) и представляет собой нейлоновую сферу толщиной в сто микрон и радиусом более четырех метров с 200 фотоэлектронными умножителями (ФЭУ). Сферу заполняет 300 тонн тщательно очищенного жидкого сцинтиллятора.

Сцинтиллятор также окружен защитным слоем воды массой около тысячи тонн; на установке дополнительно имеются около 2500 ФЭУ. Одна из основных трудностей, которая стояла перед исследователями, заключалась в устранении фоновых распадов углерода-14 (его период полураспада составляет менее шести тысяч лет). По словам ученых, невысокое содержание такого изотопа в жидком сцинтилляторе установки (использовался бензол из старой нефти) и современные статистические методы обработки результатов измерений позволили устранить влияние фоновых процессов.

В своей работе физики исследовали протон-протонный механизм образования нейтрино. В дальнейшем ученые планируют исследовать нейтрино, образующиеся в результате CNO-цикла, характерного для тяжелых звезд, а также повысить точность своих измерений.