Ученые международной коллаборации «Борексино», в которой участвовали сотрудники МГУ им. М.В. Ломоносова и Национального исследовательского центра «Курчатовский институт», представили результаты десяти лет наблюдений за нейтрино в эксперименте «Борексино». Результаты подтвердили теоретические предсказания Стандартной солнечной модели и позволили глубже понять термоядерные процессы, идущие внутри Солнца.
Солнце
© NASA
Хотя термоядерные реакции внутри Солнца жизненно важны для существования человечества, изучать эти процессы крайне сложно. 98 процентов их энергии высвобождается при слиянии ядер атомов водорода. При этом водород превращается в гелий с выделением большого количества различных частиц, включая фотоны. Однако те не достигают нас в исходном виде — они разогревают внешние слои светила и лишь такое, «вторичное» излучение доходит до нашей планеты. Нейтрино — единственная из частиц, выделяемых в процессе термоядерных реакций, которая долетает до Земли «в неизменном виде». Эти частицы способны проходить через вещество и магнитные поля, почти не взаимодействуя с ними, и доносить информацию о термоядерных процессах внутри Солнца.
Для регистрации нейтрино в мире существует несколько мегаустановок, в том числе — детектор «Борексино» (Borexino, Италия). Это нейлоновая сфера диаметром 8,5 метра, заполненная 300 тоннами чрезвычайно низкофонового жидкого сцинтиллятора, вещества, излучающего свет при поглощении ионизирующего излучения. Сфера окружена многими слоями защиты, оберегающими ее от излучений-«шумов». Из-за нее радиационный фон внутри детектора в сто миллиардов раз ниже, чем в окружающей среде. Однако нейтрино все еще под силу преодолеть такую систему защиты, а за их взаимодействиями со сцинтиллятором «наблюдают» 2200 фотоумножителей.
Детектор смог впервые измерить поток «бериллиевых» нейтрино от Солнца с уникально высокой точностью 2,7 процента — в два раза более высокой, чем предсказания Стандартной солнечной модели (ССМ). Также ему удалось зарегистрировать сигнал от рер-нейтрино . Он впервые зарегистрирован на уровне статистической значимости в пять сигм. Такой результат означает неоспоримую регистрацию частицы, когда ее существование считается надежно установленным. Ранее, до «Борексино», зарегистрировать ее столь же надежно, со столь же убедительной статистикой, просто не удавалось.
Кроме того, физики измерили энергию «борных» нейтрино с наиболее низкого энергетического порога в 3,2 мегаэлектронвольта, недоступного другим нейтринным детекторам. Наконец, высокая точность измерений рр-нейтрино позволила впервые определить относительные частоты протекания разных вариантов реакций по итогам слияний пары протонов — в частности, выяснить вероятность образования различных изотопов гелия в итоге слияния пар протонов. Они оказались соответствующими предсказаниям Стандартной солнечной модели.
Наблюдения «Борескино» позволили не только независимо подтвердить факт квантовых осцилляций, то есть превращения одних видов нейтрино в другие, но и уточнить вероятность таких процессов в зависимости от энергии нейтрино и ряда других параметров.
Изучение солнечных нейтрино важно для таких областей науки, как физика Солнца и астрофизика. Например, данные о концентрации элементов тяжелее гелия (астрономы называют их «металлами») на Солнце, полученные спектроскопией и методами гелиосейсмологии, явно противоречили друг другу: первый метод дает меньшее содержание металлов, чем второй. Данные, полученные на «Борексино», указывают на достоверность модели Солнца с высокой концентрацией тяжелых химических элементов на уровне статистической значимости в две сигмы. Возможно, это станет первым шагом в решении давнего научного парадокса металличности Солнца.
Российские ученые 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 отечественными исследователями электронно-измерительный комплекс на базе быстрых оцифровщиков формы импульса. Ожидается, что «Борексино» продолжит собирать данные до 2020 года.
One Response to Нейтринный детектор «Борексино» подтвердил металличность Солнца