«Солнце взойдет…»

В эксперименте Борексино впервые зарегистрированы так называемые pp-нейтрино, составляющие основную часть потока нейтрино от Солнца, но ранее ускользавшие от прямого наблюдения. Эта работа, недавно опубликованная в престижном мультидисциплинарном журнале Nature, непосредственно демонстрирует, что основным источником энергии Солнца является протон-протонный цикл, начинающийся слиянием двух протонов в ядро дейтерия.

Посмотрите на Солнце. Закройте его указательным пальцем. Сейчас каждую секунду через ваш ноготь (его площадь около одного квадратного сантиметра) пролетает 60 миллиардов нейтрино, возникших в ядре Солнца. А всего наше светило испускает ежесекундно около 1,7×1039 этих частиц.

Однако до недавнего времени данная величина была лишь результатом теоретических подсчетов. Те, в свою очередь, опирались на непосредственно измеренную солнечную светимость и на предположение (которое, впрочем, имело статус почти 100-процентной уверенности), что излучаемая Солнцем энергия возникает в результате определенных термоядерных реакций, сводящихся в конечном счете к слиянию четырех протонов — ядер легкого водорода — в ядро гелия-4, альфа-частицу.

Эта цепочка реакций, которая служит основным источником энергии не только Солнца, но и большинства других звезд, называется протон—протонным (pp) циклом. Здесь следует отметить, что ядро гелия-4 состоит из двух протонов и двух нейтронов. Значит, два протона из четырех в ходе pp-цикла должны превратиться в нейтроны.

Закон сохранения заряда запрещает положительным протонам превращаться в нейтральные нейтроны просто так, без участия дополнительных электрически заряженных частиц. Заряд протона должен либо нейтрализоваться отрицательно заряженным электроном, захваченным из окружающей плазмы, либо уйти из ядра вместе с положительным позитроном (а он, в свою очередь, почти мгновенно аннигилирует с электроном среды).

В обоих случаях вступает в силу закон сохранения лептонного числа — в любой реакции исчезновение лептона (электрона) или возникновение антилептона (позитрона) должны компенсироваться возникновением другого лептона. Так, чтобы общая алгебраическая сумма лептонов (число антилептонов принимается отрицательным) в ходе реакции не изменилась. Причем в нашем случае родившийся лептон должен быть нейтральным, чтобы не нарушить уже достигнутый баланс электрических зарядов. Единственный известный кандидат на эту роль — нейтрино.

Итак, мы выяснили, что образование ядра гелия в протон-протонном цикле должно сопровождаться исчезновением двух электронов и образованием двух нейтрино.

Выделяемая энергия

Любые реакции, сопровождающиеся изменением электрического заряда лептонов, в том числе и pp-цикл, обусловлены так называемым слабым взаимодействием, одним из четырех фундаментальных взаимодействий, известных в природе. Слабым оно названо не случайно.

Дело в том, что фотон, являющийся переносчиком электромагнитного взаимодействия, в плазме Солнца пролетает до рассеяния на какой-нибудь электрически заряженной частице, чаще всего электроне, лишь доли сантиметра. Напротив, для нейтрино, которые могут вступать лишь в слабое (и гравитационное) взаимодействие, недра Солнца практически прозрачны. Эти частицы, которые почти не взаимодействуют с обычным веществом, беспрепятственно покидают Солнце со скоростью, практически равной скорости света, пролетая 700 тысяч км от центра до поверхности за две с небольшим секунды, а еще через 8 минут их уже можно зарегистрировать на Земле.

Та часть энергии pp-цикла, которая передается фотонам и заряженным частицам, в конечном счете тоже достигает поверхности Солнца и высвечивается в пространство, но время прохождения сквозь непрозрачное солнечное вещество оценивается примерно в 100 тысяч лет. Прекратись сегодня термоядерные реакции в центре Солнца, мы узнали бы об этом лишь через тысячелетия, — если бы не нейтрино.

Полную энергию, выделяющуюся в pp-цикле, легко найти. Для этого нужно вычесть массу конечного продукта — ядра гелия-4 — из массы вступающих в реакцию частиц (четырех протонов и двух электронов), которые в сумме на 0,7% тяжелее. Эта энергия равна 26,73 МэВ. А измеренный поток солнечной энергии на Земле составляет около 0,136 Вт (8,5×1011 МэВ в секунду) на квадратный сантиметр. Поделив вторую величину на первую и не забыв умножить на два, можно получить количество солнечных нейтрино, проходящих за секунду через ноготь вашего указательного пальца, т.е. упомянутые выше 60 млрд.

Трудности обнаружения

Как видим, регистрируя солнечные нейтрино, мы можем узнать, действительно ли Солнце светит благодаря слиянию водорода в гелий, и если да, то какова мощность этой термоядерной «топки» в данный момент, а не тысячи лет назад. Казалось бы, всё просто. Однако та самая слабость взаимодействия нейтрино с обычным веществом, благодаря которой эти частицы свободно покидают ядро Солнца, крайне затрудняет их детектирование.

Например, из неисчислимых триллионов солнечных нейтрино, пролетевших сквозь ваше тело за последнюю неделю, лишь одна частица имела шанс провзаимодействовать с каким-либо из его электронов. Обычные детекторы ядерных излучений не в состоянии выделить столь малый поток событий из обычного фона, обусловленного природной и техногенной радиоактивностью, а также космическим излучением.

Чтобы зарегистрировать солнечные нейтрино, подходящий детектор должен быть: а) очень массивным, чтобы увеличить частоту редких событий взаимодействия нейтрино с веществом мишени, и б) глубоко защищенным от фона, чтобы не путать эти редкие события с фоновыми. Лишь менее десятка экспериментов за всю историю исследований смогли решить эту задачу и исследовать часть спектра солнечных нейтрино (в основном — компоненты этого спектра с малым потоком, но высокой энергией, так называемые борные и бериллиевые нейтрино). Однако главную компоненту спектра — низкоэнергетические pp-нейтрино, возникающие в первой реакции pp-цикла, слиянии двух протонов в ядро дейтерия, — удалось выделить лишь недавно и пока только в одном из экспериментов.

А именно — в эксперименте Борексино, представляющем из себя многотонный сцинтилляционный детектор солнечных нейтрино, размещенный на глубине 1400 м в в туннеле под горным массивом Гран-Сассо в центральной Италии. Эксперимент проводится интернациональным коллективом физиков из Германии, Италии, России, Польши, США, Украины и Франции.

Толщина горных пород, закрывающих детектор от космического излучения, эквивалентна слою воды в 3,8 км. Однако это лишь первая «линия обороны», позволяющая защитить от фона центр детектора, напоминающего луковицу или матрешку.

Самый внешний слой «луковицы» — мюонный детектор — состоит из стального купола, заполненного 2100 т сверхчистой воды. Слой воды просматривается чувствительными даже к одиночным фотонам приборами — фотоэлектронными умножителями (ФЭУ). Остаточные космические мюоны, которые сумели пролететь сквозь толщу скал и не поглотиться, благодаря эффекту Черенкова создают в воде вдоль своего трека вспышку, воспринимаемую электроникой детектора как сигнал к тому, чтобы на пару миллисекунд приостановить регистрацию полезных событий. Ведь даже «чиркнувший» по краю чувствительного объема мюон может выбить из ядра углерода или кислорода быстрый нейтрон, а тот с некоторой вероятностью способен долететь до сердца детектора и вызвать ложное срабатывание.

Внутри купола находится сфера из нержавейки диаметром 13,7 м, заполненная сверхчистым жидким сцинтиллятором — органической жидкостью, создающей очень быструю вспышку при попадании в нее ионизирующей частицы. Количество высвеченных фотонов пропорционально поглощенной энергии, так что, сосчитав фотоны, можно определить энергию частицы. Для сбора света на внутренней поверхности сферы установлены 2212 фотоумножителей.

Важно, что конечное время пролета фотонов от места сцинтилляционной вспышки до ФЭУ позволяет локализовать вспышку в пространстве с хорошей точностью — около 10 см. Так называемый буферный слой сцинтиллятора толщиной 2,6 м возле стен сферы «затушен» специальной добавкой, чтобы подавить сигнал от фоновой радиоактивности фотоумножителей и стали; при этом света от проходящего через буфер мюона всё еще достаточно, чтобы восстановить его трек. Сам по себе буферный слой еще и защищает внутреннюю часть детектора от гамма-квантов, излучаемых при распаде природных радионуклидов в ФЭУ и стали. Кроме того, в нем находится тонкая нейлоновая сферическая оболочка, защищающая от природного радиоактивного газа радона, атомы которого благодаря химической инертности легко диффундируют внутрь детектора.

Еще одна прозрачная нейлоновая сфера диаметром 8,5 м отделяет буфер от собственно сцинтилляционной мишени, расположенной в центре детектора. Именно в ней и регистрируются солнечные нейтрино, взаимодействуя с ее электронами. Масса мишени составляет 278 т , почти пять железнодорожных цистерн. После упругого рассеяния нейтрино на электроне тот приобретает определенную кинетическую энергию, поглощающуюся в сцинтилляторе и частично высвечиваемую в виде оптических фотонов. Однако в общий зачет идут лишь события, произошедшие не более чем в трех метрах от центра, поскольку нейлоновая сфера проявляет некоторую остаточную радиоактивность, которая может имитировать искомый эффект. Поэтому вспышки вблизи стенок отбрасываются.

Вся эта многослойная «матрешечная» конструкция, защищающая от внешнего фона, была бы бесполезна, если бы в сцинтилляторе присутствовали радиоактивные примеси в более-менее значительном количестве. Однако специально разработанная многостадийная процедура очистки удаляет опасные примеси из жидкости практически полностью, до беспрецедентно низкого уровня. Так, содержание урана и тория в ней составляет менее 10–18 г/г.

Для сравнения, в тонне любого природного вещества (в том числе и неочищенного сцинтиллято-ра) обычно содержится от 0,1 до 1 г урана и тория, т.е. типичное содержание этих природных радиоактивных элементов равно 10–7…10–6 г/г. Таким образом, центр детектора Борек-сино является самым радиационно чистым местом на планете. Нигде в природе — ни на Земле, ни в современной Вселенной — нет вещества, где содержание урана и тория было бы настолько мало; единственным исключением являются, вероятно, недра нейтронных звезд, где атомные ядра просто отсутствуют как таковые.

Одним из основных источников фона, мешающего детектировать нейтрино при низких энергиях, является бета-распад углерода-14, известного изотопа-хронометра, применяющегося для датировки органики в археологии и палеонтологии. Типичное отношение 14С/12С в современной органике (например, в нашем теле) составляет ~10–12, один атом радиоуглерода на триллион атомов стабильного углерода. В сцинтилляторе Борексино, произведенном из нефти древних залежей, где углерод-14 практически распался, это отношение в миллион раз меньше, ~10–18. Тем не менее, именно радиоуглерод отвечает за большую часть событий, регистрируемых в мишени, давая около 40 распадов в секунду на 100 т сцинтиллятора.

Выводы исследователей

Детектор Борексино, начавший измерения в 2007 году, изначально предназначался для прямой регистрации одной из малых компонент спектра солнечных нейтрино — так называемых бериллиевых нейтрино, возникающих с энергией 0,87 МэВ на побочной стадии pp-цикла. Была успешно выполнена не только эта задача, но и впервые выявлена еще одна малая компонента спектра (так называемые pep-нейтрино), а также установлена верхняя граница на поток нейтрино, возникающих в альтернативном процессе слияния четырех протонов в гелий-4, так называемом CNO-цикле, который должен быть основным источником энергии в звездах тяжелее Солнца.

Более того, в ходе работы фон при низких энергиях удалось подавить настолько сильно, что возникла возможность взяться и за более сложную задачу — непосредственную регистрацию pp-нейтрино, возникающих при слиянии двух протонов в ядро дейтерия (это в 99,76% случаев первая реакция в pp-цикле). Энергия pp-нейтрино лежит в диапазоне от 0 до 420 кэВ, в области гораздо более высокого фона. Поэтому, хотя их поток значительно выше потока бериллиевых нейтрино, их непосредственная регистрация была ранее невозможна. (Низкий энергетический порог радиохимических галлий-германиевых экспериментов SAGE и GALLEX/GNO делал их чувствительными к части pp-спектра, но в них регистрировался лишь интегральный поток нейтрино с энергией выше пороговой, без возможности прямого разделения различных компонент потока.)

После тщательного учета всех оставшихся компонент фона измеренный сигнал от искомого эффекта, т.е. от рассеяния pp-нейтрино на электронах мишени, составил 144±13 событий в день на 100 т сцинтиллятора. Этот сигнал соответствует потоку pp-нейтрино, равному 66±7 млрд нейтрино в секунду через квадратный сантиметр, что согласуется с предсказываемым потоком, 60 млрд.

Кроме выхода на физику Солнца, подтверждающего Стандартную солнечную модель, полученный результат значим и для нейтринной физики. Как известно, нейтрино по пути от Солнца испытывают осцилляции: часть электронных нейтрино (их сорта, ассоциированного с электронами и рождающегося в pp-цикле) превращается в мюонные и тау-ней-трино (сорта нейтрино, ассоциированные с соответствующими тяжелыми лептонами).

В описываемом эксперименте была впервые измерена вероятность выживания электронного нейтрино на пути от Солнца до Земли в области pp-спектра; эта величина составляет 0,64±0,12 и вполне согласуется с аналогичными вероятностями для соседних по энергии компонент нейтринного спектра.

В то же время более высокоэнергичные нейтрино, возникающие на Солнце при распаде бора-8, выживают с вероятностью около 0,3. Эта зависимость вероятности выживания от энергии описывается так называемым решением Михеева — Смирнова — Вольфенштайна с большим углом смешивания (MSW-LMA): высокоэнергичные нейтрино осциллируют, пролетая сквозь слой вещества с медленно изменяющейся плотностью в конвективной зоне Солнца (эффект MSW), а низкоэнергичные нейтрино испытывают вакуумные осцилляции.

Итак, коллаборация Борексино, впервые выполнив прямые измерения основной компоненты спектра солнечных нейтрино, подтвердила справедливость Стандартной солнечной модели и показала, что текущая интенсивность энерговыделения в pp-цикле совпадает с современной светимостью Солнца. Это значит, что наше светило на временной шкале порядка 100 тысяч лет находится в стабильном состоянии и как минимум в ближайшие сто тысячелетий нам не следует ждать от него больших сюрпризов. Вряд ли кто-то в этом сильно сомневался, но всё же результат добавляет уверенности в завтрашнем дне: что бы ни случилось, а солнышко завтра взойдет так же, как и сегодня.