„Борексино” улови слънчево неутрино

Физиците за първи път уловиха електронни неутрино, родени в ядрото на нашата звезда.

Екип учени от международната колаборация Borexino обявиха за първото в историята пряко откриване на „слънчеви“ електронни неутрино – елементарни частици, които практически не взаимодействат с видимата материя.

Откритието на физиците потвърждава общоприетата теория за това, че ядрото на Слънцето и други звезди произвеждат голямо количество такива неутрино.

Те може да се използват като своеобразен рентген за наблюдение на процесите, протичащи в недрата на звездата. Междинните изводи от работата на изследователите са публикувани в сп. Nature.

„Според нашите текущи представи неутриното е единствената възможност да се надникне в недрата на Слънцето. Тези pp-неутрино, формиращи се в момента на сливането на два протона и тяхното превръщане в деутерий, е особено сложно да се изучават. Откриването на такива частици е доста трудно поради това, че те притежават относително ниска енергия и може да се сбъркат с неутриното, отделяно в хода на реакцията на разпада на радиоактивните ядра на Земята“, пояснява Андреа Покар от Масачузетския университет в Амхърст (САЩ).

Покар и колегите му от седем години работят с неутринния детектор Borexino, намиращ се на дълбочина километър в Италия, в националната лаборатория Гран Сасо. В нейните предели има още няколко други научни инструмента, включително печално известния детектор OPERA, където през септември 2011 година уж бяха открити скандалните „свръхсветлинни“ неутрино.

Детекторът представлява огромна сфера от найлон с диаметър почти осем метра, която е запълнена с 300 тона специална течност. Молекулите на течността светят при сблъсъци с неутрино. Сферата е потопена в гигантска стоманена вана с вода, на стените на която са монтирани повече от 2000 високочувствителни фотодетектора, способни да улавят изблиците от взаимодействията с частиците.

Водата и светещата течност са преминали многостепенно пречистване от атоми торий, уран и други радиоактивни елементи за снижаване на шансовете за лъжливо сработване.

Защо астрономи и физици влагат толкова големи усилия в търсенето на тези частици, които практически не взаимодействат с други типове видима материя? От момента на експерименталното откриване на тези частици през 1956 година учените знаят, че голямата част от неутриното, които всяка секунда „пронизват“ Земята, възникват в хода на термоядрени и други реакции в ядрото на Слънцето и други звезди.

Благодарение на почти нулевата маса и почти светлинната скорост, те практически не взаимодействат с материята на светилото, което позволява неутриното да се използва (ако се научим да го ловим) в качеството на звезден „рентген“.

Стандартният модел на физиката и съвременните представи за устройството и процесите в недрата на светилата говорят за това, че голяма част от звездните неутрино се образуват в хода на т.нар. pp-цикъл, чрез който Слънцето изработва около 99% от енергията си. Под този термин учените разбират сложна многостепенна термоядрена реакция, в хода на която четири протона се обединяват в ядро хелий и изработват два позитрона, гама кванти и електронни неутрино (съществуват шест подвида на тази частица – електронно, мюонно и тау неутрино и техните двойници – антинеутрино).

Първите наблюдения на pp-неутрино, както ги наричат физиците, разкрили нещо невероятно – броят на тези частици, за които следил един от първите детектори на неутрино в мина в Хоумстейк в САЩ от началото на 70-те години на миналия век, са били три пъти под предсказаните от теорията стойности. Този неутринен парадокс станал повод за строителството на Borexino, на японския Kamiokande и други действащи днес „ловци“ на неутрино.

Възможен отговор на тази загадка бил получен преди няколко години на други детектори, които са приспособени за високоенергийни неутрино, възникващи при разпада на бориеви ядра. Наблюдения на британската неутринна обсерватория SDO през 2001 година показали, че тези частици могат спонтанно да се превръщат в неутрино от друг тип по време на пътешествието от ядрото на Слънцето към Земята.

На „борните“ неутрино се падат 0,01% от общия поток на тези частици, което не дава на физиците пълно право за използване на тази идея за решаване на неутринния парадокс.

Както отбелязва Покар, Borexino е успял да открие около 90% от неутриното, излъчвано от Слънцето, след допълнително очистване на водата и светещата течност, проведено през януари 2012 г. Една година наблюдения на Borexino потвърдили, че част от електронните неутрино, раждащи се в хода на цикъла, действително се превръщат в мю- и тау-частици.

От друга страна, по време на полета към Земята се „губят“ не толкова много неутрино, както предсказали наблюденията на SDO. Около 64%, а не 32%, електронни неутрино долитат до Земята в неизменен вид.

Друго важно потвърждение, получено благодарение на откриването на рр-неутрино, е това, че Слънцето действително изработва около 99% от енергията си в резултат на термоядрени реакции между протоните. Освен това, сравнявайки флуктуациите в неутинния фон на Слънцето и в интензивността на неговото лъчение, авторите на статията са успели да изчислят времето, което фотоните провеждат по време на пътешествието от ядрото на светилото към неговата повърхност.

То според изчисленията на физиците е около 100 000 години, което напълно съответства на текущите представи за устройството и живота на звездата.

„Сравнявайки двата различни типа енергия, изпускани от Слънцето, потоците светлина и неутриното, ние получихме експериментална информация за състоянието на вътрешните слоеве на Слънцето в продължение на 100 000 години. Очите често са наричани огледало на душата, и ако говорим за неутриното, то наблюдавайки го, ние виждаме не само лицето на Слънцето, а право в неговото ядро. Ние успяхме да надникнем в душата му“, продължава Покар.

Както очаква американският физик, точността на откриване на неутрино на Borexino ще бъде подобрена в близките месеци и години около десет пъти, когато в светещата течност „изгорят“ всички радиоактивни атоми въглерод-14 и когато физиците съберат пълни данни за нивото на фоновото лъчение около детектора.

Когато тази отметка бъде достигната, членовете на колаборацията ще се опитат да уловят неутрино от последната, още неизучена група на тези частици, изработвани в хода на обединението на ядра въглерод и кислород.

Ако учените успеят да открият тези неутрино, то те ще отворят пътя за разкриването на друга слънчева загадка, необяснима от съвременните теории – неравномерното разпределяне на астрономичните „метали“ (елементи, по-тежки от водорода и хелия) по недрата на Слънцето.