Первое экспериментальное подтверждение теоретических представлений о протекании реакций термоядерного синтеза в массивных звездах
Участники международной коллаборации Borexino объявили о первом наблюдении нейтрино из реакций углеродно-азотного цикла в Солнце. Это экспериментально подтверждает второй механизм генерации энергии в звездах. Ранее наблюдались нейтрино только из протон-протонного цикла. Открытие имеет первостепенное значение для астрофизики, так как в звездах более массивных, чем Солнце, энергия выделяется в основном за счет углеродно-азотного цикла. Результаты исследования опубликованы в Nature.
Иллюстрация к тексту. Автор Алина Вишнева
Ядро Солнца — гигантский термоядерный реактор. В процессе ядерных трансформаций при температуре около 15 миллионов градусов протоны сливаются друг с другом и образуют гелий. Гелий нарабатывается в двух многостадийных процессах: в протон-протонной (pp) цепочке и в углеродно-азотном (CNO) цикле. Часть ядерных реакций сопровождается испусканием нейтрино. Из-за чрезвычайно малой вероятности взаимодействия с обычным веществом нейтрино легко проходят сквозь толщу Солнца, сохраняя информацию как о ядерных процессах в глубинах Солнца, так и об условиях их протекания. Хотя поток солнечных нейтрино огромен и исчисляется миллиардами частиц на квадратный сантиметр в секунду, регистрация неуловимых нейтрино представляет собой чрезвычайно сложную экспериментальную задачу.
CNO-цикл в звездах
Для сравнительно легких звезд, включая Солнце, pp-цепочка реакций является доминирующим механизмом с точки зрения количества производимой энергии. Для более тяжелых звезд, с массой в полтора раза больше солнечной, CNO-цикл преобладает в выработке энергии. Углерод, кислород и азот (буквы C, N и O в названии цикла – символы этих элементов) выступают катализаторами реакций цикла, оставаясь в итоге неизменными. Нейтрино, излучаемые в ядерных реакциях, выступают их характерными “метками”. Около 90% нейтрино излучается при слиянии ядер водорода. Второй по интенсивности поток нейтрино составляет около 10% и образуется в одной из более поздних реакций pp-цепочки при электронном захвате на бериллии-7. Остальные потоки нейтрино менее интенсивны.
“Детектор Borexino создавался для регистрации потока бериллиевых нейтрино, но на практике его феноменальные характеристики позволили зарегистрировать и нейтрино из других, менее интенсивных реакций в pp-цепочке, — говорит Олег Смирнов, к.ф.-м.н., старший научный сотрудник ЛЯП, руководитель дубненской группы коллаборации Borexino. —Тем не менее, до недавнего времени оставался открытым вопрос, удастся ли зарегистрировать нейтрино из CNO-цикла. Регистрацию CNO-нейтрино, помимо малости самого потока, осложняет присутствие спектральной компоненты природного фона, неотличимой от их спектра”.
Для Солнца энергия, производимая в CNO-цикле, относительно мала. Для большого же количества более массивных звезд во Вселенной и их быстрой эволюции CNO-цикл — основной механизм синтеза гелия из водорода. Процесс генерации энергии в CNO-цикле хорошо обоснован теоретически, но до сих пор его протекание в Солнце экспериментально не было подтверждено.
Рис. 1. Фотосенсоры (фотоумножители) детектора Борексино на внутренней поверхности металлической сферы. Перед каждым фотоумножителем установлен концентратор света в виде конуса. Открытая часть концентратора имеет диаметр 50 см. Усеченные цилиндры желтого цвета обеспечивают защиту устройств от магнитного поля Земли. Copyright: Borexino collaboration.
Первое экспериментальное доказательство
Свойство не замечать вещество позволяет нейтрино сохранять информацию о внутренних процессах в Солнце, но это же свойство делает их неуловимыми для обычных детекторов частиц. Поэтому для регистрации нейтрино используются специально сконструированные детекторы очень большой массы с тщательным контролем всевозможных процессов, которые могут имитировать взаимодействия нейтрино. В детекторе Borexino в качестве активной среды для регистрации нейтрино используется около 100 тонн жидкого сцинтиллятора. В редких случаях нейтрино взаимодействует с электроном, передавая ему часть своей энергии. Этот процесс напоминает упругое столкновение бильярдных шаров. Электрон, получив некоторую начальную скорость, постепенно теряет полученную энергию в ходе взаимодействия с молекулами среды. Часть переданной энергии при этом излучается в виде фотонов. Таким образом, взаимодействие нейтрино с электроном приводит к вспышке света, и несколько тысяч фотонов разлетаются от точки взаимодействия во все стороны. Регистрация этих фотонов специальными сверхчувствительными приборами — фотоэлектронными умножителями — позволяет оценить энергию, переданную электрону, а также определить точку внутри детектора, где произошло взаимодействие.
“Несмотря на огромное количество солнечных нейтрино, проходящих через детектор (более секстиллиона за день) только полсотни нейтрино оставляют заметный “след” в детекторе за это же время. Ученые, работающие над анализом данных, смогли выделить сигнал, который можно объяснить только присутствием нейтрино из CNO-цикла. Таким образом доказано протекание ядерных реакций CNO-цикла в Солнце. Полный поток нейтрино из CNO-цикла составляет около 1% от полного потока солнечных нейтрино,” — поясняет Олег Смирнов.
Рис. 2. Внутри детектора после установки фотоумножителей. Copyright: Borexino collaboration.
Тысячи детекторов света под толщей скал в 1400 метров
Детектор Borexino набирает данные практически в непрерывном режиме с мая 2007 года. Установка расположена в самой большой подземной лаборатории в мире, в Национальной лаборатории Гран-Сассо в Центральной Италии. В центре детектора на нейлоновых струнах растянут прозрачный мешок из очень тонкого нейлона, содержащий около 300 тонн специально подготовленной сверхчистой жидкости, обладающей свойством излучать свет при прохождении заряженных частиц. Слабые световые вспышки регистрируются двумя тысячами больших сенсоров (20-сантиметровых фотоэлектронных умножителей), установленных на металлической сфере вокруг чувствительного объема. Допустимое содержание радиоактивных примесей в жидком сцинтилляторе в миллиарды раз ниже обычного их содержания в природных материалах, например, в питьевой воде. Поэтому все жидкости, используемые в эксперименте, подверглись предварительной глубокой очистке от естественных радиоактивных примесей. При сооружении детектора тщательно контролировалась радиоактивность используемых материалов. Для реализации программы по поиску CNO-нейтрино потребовалась полная термоизоляция детектора от внешней среды, чтобы исключить формирование тепловых потоков, переносящих остаточную радиоактивность с внутренних стенок детектора в его объем.
Скальный массив над лабораторией, эквивалентный 3800 м воды, обеспечивает значительное подавление потока космических лучей. Тем не менее, часть космической радиации проникает через скалы под землю и приводит к появлению нежелательных фонов, усложняющих наблюдение нейтрино. Физики разработали специальные методы анализа данных для разделения нейтринного и фонового сигналов.
Доказательство прохождения реакций углеродно-азотного цикла в Солнце является важным научным достижением, шагом на пути к разрешению загадки его химического состава. Поскольку поток нейтрино, генерируемый в CNO-цикле, напрямую связан с концентрацией элементов C, N и O, участвующих в реакциях, то измерение потоков этих нейтрино напрямую связано с химическим составом Солнца.
Эксперимент Borexino в очередной раз подтвердил своё лидерство в астрофизических исследованиях, приоткрыв секреты механизмов, которые поддерживают жизнь звезд, в частности нашего Солнца.
Рис. 3. Схематическое изображение ядерных реакций углеродно-азотного цикла (материал из Википедии).
Коллаборация Borexino
Коллаборация Borexino объединяет группы ученых из Италии, Германии, США, России, Франции и Польши и насчитывает около 100 участников. Группа из ЛЯП ОИЯИ, одна из старейших в коллаборации, принимает участие в эксперименте с начала реализации проекта в 1991 году. Кроме ученых из ОИЯИ, в работе по проекту Borexino принимают участие наши коллеги из других российских институтов: из Национального исследовательского центра “Курчатовский институт” в Москве, из НИЦ “Курчатовский институт” в Санкт-Петербурге (ПИЯФ) и Научно-исследовательского института ядерной физики МГУ.
Детектор Borexino набирает данные с 2007 года. С его помощью ранее были получены выдающиеся результаты в физике солнечных и земных нейтрино.
Группа Borexino в Дубне
Группа Borexino в Объединенном институте ядерных исследований образовалась в 1991 году и участвует в эксперименте с самого начала; внесла значительный вклад в исследование потоков солнечных нейтрино, поиск редких процессов, а также поиск геонейтрино.
Рис. 4. Наружный вид детектора после установки термоизоляции. Copyright: Borexino collaboration.
Дополнительная информация
Оригинальная публикация:
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2934-0
DOI 10.1038/s41586-020-2934-0
“Experimental evidence of neutrinos produced in the CNO fusion cycle in the Sun”
The Borexino Collaboration: M. Agostini, K. Altenmuller, S. Appel, V. Atroshchenko, Z. Bagdasarian, D. Basilico, G. Bellini, J. Benziger, R. Biondig, D. Bravo, B. Caccianiga, F. Calaprice, A. Caminata, P. Cavalcante, A. Chepurnov, D. D’Angelo, S. Davini, A. Derbin, A. Di Giacinto, V. Di Marcello, X.F. Ding, A. Di Ludovico, L. Di Noto, I. Drachnev, A. Formozov, D. Franco, C. Galbiati, C. Ghiano, M. Giammarchi, A. Goretti, A.S. Gottel, M. Gromov, D. Guffanti, Aldo Ianni, Andrea Ianni, A. Jany, D. Jeschke, V. Kobychev, G. Korga, S. Kumaran, M. Laubenstein, E. Litvinovich, P. Lombardi, I. Lomskaya, L. Ludhova, G. Lukyanchenko, L. Lukyanchenko, I. Machulin, J. Martyn, E. Meroni, M. Meyer, L. Miramonti, M. Misiaszek, V. Muratova, B. Neumair, M. Nieslony, R. Nugmanov, L. Oberauer, V. Orekhov, F. Ortica, M. Pallavicini, L. Papp, L. Pelicci, O. Penek, L. Pietrofaccia, N. Pilipenko, A. Pocar, G. Raikov, M.T. Ranalli, G. Ranucci, A. Razeto, A. Re, M. Redchuk, A. Romani, N. Rossi, S. Schonert, D. Semenov, G. Settanta, M. Skorokhvatov, A. Singhal, O. Smirnov, A. Sotnikov, Y. Suvorov, R. Tartaglia, G. Testera, J. Thurn, E. Unzhakov, F.L. Villante, A. Vishneva, R.B. Vogelaar, F. von Feilitzsch, M. Wojcik, M. Wurm, S. Zavatarelli, K. Zuber, G. Zuzel
Интернет-страница эксперимента Борексино:
Интернет-страница Национальной лаборатории Гран-Сассо:
