На глубине тысяч метров под землей, в хтонических глубинах земной коры, ученые наконец-то уловили солнечные нейтрино в процессе превращения углерода-13 в азот-13. Это первый случай, когда мы наблюдаем эту редкую ядерную реакцию, опосредованную нейтрино, которая показывает, как некоторые из самых неуловимых и неосязаемых частиц во Вселенной, тем не менее, могут незаметно изменять форму материи, находясь в подземной темноте вдали от поверхности.
"Это открытие использует естественное содержание углерода-13 в жидком сцинтилляторе, используемом в эксперименте, для измерения специфического, редкого взаимодействия", - говорит физик Кристин Краус из SNOLAB, нейтринной обсерватории в Канаде, где было произведено обнаружение.
"Насколько нам известно, эти результаты представляют собой первое на сегодняшний день наблюдение нейтринных взаимодействий на ядрах углерода-13 с наименьшей энергией и обеспечивают первое прямое измерение поперечного сечения этой конкретной ядерной реакции с учетом основного состояния образующегося ядра азота-13".
Нейтрино - одни из самых распространенных частиц в огромной Вселенной. Они образуются в энергетических условиях, таких как взрывы сверхновых и ядерный синтез, происходящий в недрах звезд, – так что они практически повсюду.
Однако у них нет электрического заряда, их масса почти равна нулю, и они практически не взаимодействуют с другими частицами, с которыми сталкиваются. Сотни миллиардов нейтрино прямо сейчас проходят через ваше тело, просто проходя сквозь него, как призраки. Вот почему их ласково называют частицами-призраками.
Но время от времени нейтрино действительно сталкивается с другой частицей – столкновение, которое приводит к бесконечно слабому свечению и появлению потока других частиц. Однако их трудно обнаружить на поверхности Земли, где космические лучи и фоновое излучение скрывают сигнал.
Вот почему некоторые из лучших детекторов нейтрино находятся глубоко под землей, где сама земная кора служит защитой от радиации. Там гигантские камеры уставлены фотодетекторами и заполнены жидким сцинтиллятором, который усиливает крошечные сигналы, генерируемые редкими взаимодействиями нейтрино, которые распускаются в полной безмолвной темноте.
Нейтрино, рождающиеся в недрах Солнца, постоянно проходят сквозь Землю. Их энергия находится в хорошо известном диапазоне, что позволяет легко отличить их от атмосферных и астрофизических нейтрино, которые обладают гораздо большей энергией и встречаются гораздо реже. На глубине 2 километра (1,24 мили), установленной детектором SNO+ от SNOLAB, почти все события в этом энергетическом диапазоне имеют солнечное происхождение.
Исследовательская группа под руководством физика Гулливера Милтона из Оксфордского университета в Великобритании изучила данные SNO+, собранные в период с 4 мая 2022 года по 29 июня 2023 года, в поисках специфического сигнала, указывающего на взаимодействие нейтрино с углеродом-13 в сцинтилляционной жидкости.
Когда солнечное электронное нейтрино сталкивается с ядром углерода-13, в результате столкновения происходят две вещи. Во-первых, образуется электрон, частица с отрицательным зарядом, поскольку атомное ядро поглощает нейтрино.
Внутри ядра атома углерода находятся 13 частиц: шесть положительно заряженных протонов и семь нейтральных нейтронов. Слабое взаимодействие, инициируемое нейтрино, превращает один из этих нейтронов в протон, испускающий электрон.
Когда количество протонов в атоме увеличилось с шести до семи, это уже не углерод, а азот-13, состоящий из семи протонов и шести нейтронов.
Примерно через 10 минут образующийся азот-13 – нестабильный радиоактивный изотоп азота с периодом полураспада, как вы уже догадались, 10 минут - распадается, испуская характерный антиэлектрон, или позитрон.
Результатом взаимодействия от начала до конца является характерная двухэтапная вспышка, известная как отложенное совпадение. По сути, исследователи могут наблюдать за электроном, за которым через 10 минут последует позитрон, что является признаком нейтрино, преобразующего углерод-13 в азот-13.
За 231 день наблюдений исследователи выявили 60 возможных событий. Пропустив данные о возможных событиях через свою статистическую модель, они оценили 5,6 нейтринных превращений углерода в азот. На самом деле это довольно близко к предполагаемым 4,7 событиям, которые они ожидали обнаружить.
"Фиксация этого взаимодействия является выдающимся достижением", - говорит Милтон. "Несмотря на редкость изотопа углерода, мы смогли наблюдать его взаимодействие с нейтрино, которые рождались в ядре Солнца и преодолевали огромные расстояния, чтобы достичь нашего детектора".
Результат впечатляет. Подтверждение теоретических предсказаний всегда приятно, потому что это означает, что наука находится на правильном пути.
Это также позволяет по-новому оценить вероятность этой специфической низкоэнергетической нейтрино-углеродной реакции. Это означает, что это задает новый ориентир для ядерной физики, который будет полезен в будущих исследованиях.
"Солнечные нейтрино сами по себе были интригующим предметом изучения в течение многих лет, и их измерения в ходе нашего предыдущего эксперимента SNO привели к присуждению Нобелевской премии по физике в 2015 году", - говорит физик Стивен Биллер из Оксфордского университета.
"Замечательно, что наше понимание солнечных нейтрино продвинулось настолько далеко, что теперь мы впервые можем использовать их в качестве "пробного луча" для изучения других видов редких атомных реакций!"
