Термоядерные реакции CNO-цикла в Солнце получили экспериментальное подтверждение

Вторник, 01 декабря 2020

Ученые коллаборации «Борексино» сумели зарегистрировать солнечные нейтрино, образующиеся в процессе так называемого CNO-цикла, что является первым экспериментальным подтверждением протекания термоядерных реакций этого типа в звёздах. Статья «Experimental evidence of neutrinos produced in the CNO fusion cycle in the Sun» опубликована в журнале «Nature» 25 ноября 2020 года.

Ядерный синтез водорода в гелий в звездах происходит посредством двух процессов. Первый способ, называемый протон-протонной цепочкой, начинается с прямого слияния двух ядер водорода в «тяжелый водород», из которого затем и образуется гелий. Во втором способе изотопы более тяжелых элементов – углерода (C), азота (N) и кислорода (O) – превращаются друг в друга, расходуя на это водород и производя гелий. Теоретически, генерация энергии звезд в CNO-цикле была предсказана 80 лет назад, но не была подтверждена экспериментально. Считается, что для лёгких звёзд, включая Солнце, основным является первый способ, тогда как для более массивных звёзд – второй. Однако эти способы не исключают друг друга, реакции CNO-цикла должны происходить внутри Солнца, пусть и со вкладом всего около 1%.

В процессах термоядерного синтеза генерируется электромагнитное излучение в виде гамма-квантов, а также рождаются особые частицы – нейтрино. Из-за специфических условий внутри Солнца гамма-кванты, рожденные в центре, постепенно отдавая энергию окружающему веществу, достигают поверхности Солнца в виде ультрафиолетового излучения и видимого света лишь через сотни тысяч лет. Нейтрино же очень слабо взаимодействуют с веществом, что позволяет им практически беспрепятственно покидать недра Солнца без потери энергии. Это свойство делает нейтрино идеальным источником информации о процессах внутри Солнца, причем практически в режиме реального времени – двигаясь почти со скоростью света они достигают Земли за 8.5 минут. Однако, нейтрино свободно проходят и через детектор, что сильно усложняет их регистрацию. Лишь очень малая доля нейтрино взаимодействует с веществом, вынуждая строить огромные детекторы, защищая их от различных источников радиоактивного фона, и проводя измерения в течение многих лет.

Таким детектором является Борексино с мишенью для нейтрино, состоящей из 280 тонн жидкого сцинтиллятора и окруженной несколькими слоями защиты от окружающей естественной радиоактивности. Детектор расположен в подземной лаборатории внутри горного массива Гран-Сассо в Италии, что дает защиту от космических лучей. При рассеянии нейтрино на электронах сцинтиллятора возникает слабая вспышка света, которую улавливают 2200 фотоумножителей. Из секстиллионов нейтрино, проходящих через детектор, получается зарегистрировать около ста событий в день. Чтобы из всех собранных за годы работы детектора событий выделить взаимодействия нейтрино от исследуемых реакций на Солнце, требуется использовать теоретические модели и тщательно вычислять вклады фоновых процессов.

Ранее детектор Борексино уже зарегистрировал нейтрино от реакций протон-протонной цепочки, об этом также сообщалось в двух предыдущих статьях в «Nature». Текущее достижение заключается в первом достоверном экспериментальном свидетельстве реакций CNO-цикла в Солнце. Участникам коллаборации удалось определить поток достигающих Земли нейтрино CNO-цикла. По их оценкам, через каждый квадратный сантиметр поверхности проходит около 700 миллионов таких нейтрино в секунду, что составляет примерно одну сотую от общего потока нейтрино от Солнца и хорошо согласуется с теоретическими оценками вклада CNO-цикла в производимую Солнцем энергию. Будущие исследования позволят лучше понимать происходящие в звёздах процессы, в частности, уточнить элементный состав Солнца.

В международной коллаборации «Борексино» проводят исследования более 100 ученых из разных стран. От России участвуют сотрудники Национального исследовательского центра «Курчатовский институт», работающие в Петербургском институте ядерной физики им. Б.П. Константинова в Гатчине и в Курчатовском институте в Москве, специалисты из Объединенного института ядерных исследований (Дубна) и НИИЯФ имени Д.В. Скобельцына МГУ имени М.В. Ломоносова. В получение данных по CNO-нейтрино большой вклад внесли сотрудники нашего Института, которые в отдельном эксперименте с высокой точностью провели измерения формы бета-спектра 210Bi, необходимой для выделения нейтринного сигнала.

«Сотрудники лаборатории низкофоновых измерений Отделения нейтронных исследований НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ участвуют в работе коллаборации Borexino более 20 лет, внося свой вклад на всех этапах реализации эксперимента, особенно на стадии анализа данных и получения новых физических результатов», - говорит заведующий Отделом полупроводниковых ядерных детекторов Отделения нейтронных исследований НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ, д.ф.-м.н. А.В. Дербин. - Весомый вклад нашей Лаборатории в задачу регистрации CNO-нейтрино состоит в прецизионном измерении формы бета-спектра ядер 210Bi. При регистрации CNO-нейтрино главные фоновые сигналы связаны с рер-нейтрино из солнечной рр-цепочки и бета-распадами 210Bi из уранового ряда естественной радиоактивности. Форма бета-спектра 210Bi, которая использовалась при выделении сигнала от CNO-нейтрино, была измерена сотрудниками лаборатории с высокой точностью в отдельном эксперименте, проведенном с помощью бета-спектрометра на основе кремниевых детекторов, который был разработан и создан в отделе полупроводниковых ядерных детекторов».

В настоящее время Борексино продолжает набор данных, которые приведут к новым результатам, способствующим развитию физики Солнца и астрофизики, нейтринной физики и физики за пределами Стандартной модели.

Теги
фгбу пияф им. Б. П. Константинова Национальный исследовательский центр Курчатовский институт