Подземный детектор помог заглянуть в недра Солнца

Астрономы впервые зафиксировали частицы, рождающиеся в экзотическом процессе в недрах Солнца. Речь идёт об одной из двух важных цепочек термоядерных реакций. Это открытие подтвердило правоту теоретиков и продемонстрировало, что мы действительно многое знаем о том, как устроены звёзды.

Достижение описано в научной статье, опубликованной в журнале Nature.

Как известно, источник энергии Солнца – это термоядерные реакции, превращающие водород в гелий. Этот процесс идёт двумя путями: в pp-цикле и в CNO-цикле.

99% энерговыделения нашего светила приходится на так называемый pp-цикл. pp – это два протона, то есть два ядра атома обычного водорода. В ходе первой реакции цикла они превращаются в ядро тяжёлого изотопа водорода – дейтерия: p + p = D.

За этой стадией следует ещё целый ряд реакций, результатом каждой из которых среди прочего становится выделение энергии. Все эти преобразования в конечном итоге приводят к образованию из ядер водорода более тяжёлых ядер гелия.

Но есть и ещё одна цепочка реакций, которая обеспечивает оставшийся 1% энерговыделения Солнца. Считается, что в более массивных звёздах она является основным источником энергии.

Речь идёт о CNO-цикле. Он назван так "в честь" ядер углерода, азота и кислорода (соответственно, C, N и O). В этом цикле углерод служит ускорителем (катализатором) превращения водорода в гелий. Ядро углерода-12 расходуется в первой реакции цикла ¹²C + p = ¹³N и восстанавливается в последней ¹⁵N + p = ¹²C + ⁴He. Азот и кислород же образуются в качестве промежуточных продуктов цепочки реакций.

Так, по крайней мере, гласит теория. А на практике заглянуть в недра Солнца и выяснить, что там происходит – задача не из простых. И до сих пор у астрономов не было прямых наблюдательных подтверждений реального существования CNO-цикла.

К счастью, в термоядерных реакциях этого цикла образуются частицы, которые проходят через толщу солнечных недр даже не как нож сквозь масло, а как свет сквозь воздух. Это нейтрино – чрезвычайно лёгкие частицы, не имеющие электрического заряда и движущиеся почти со скоростью света.

Учёные много лет регистрируют нейтрино, рождающиеся в недрах Солнца. Но до сих пор им не удавалось отличить частицы, образовавшиеся в CNO-цикле, от родившихся в других процессах.

Тут стоит пояснить, что даже просто зафиксировать нейтрино – дело трудное. Эти частицы легко проникают не только сквозь Солнце, но и сквозь Землю, не говоря уж о любых рукотворных объектах. Лишь ничтожная доля частиц, проходящих через детектор, вступает в реакцию и вызывает отклик приборов. Так что установки для регистрации нейтрино – настоящее чудо техники.

Одним из таких чудес является детектор Borexino, находящийся в Италии. Он установлен в глубине горного массива, чтобы защитить приборы от действия космических лучей. Чувствительная часть инструмента – мишень из 280 тонн жидкости. Когда нейтрино сталкивается с электронами мишени, возникает чрезвычайно слабая вспышка света. Но 2200 фотоумножителей усиливают сигнал и позволяют его зарегистрировать.

Ежедневно детектор фиксирует около сотни проходящих через него нейтрино (на самом же деле их триллионы). Эти частицы приходят из самых разных источников, среди которых недра Земли и ядерные реакторы. Чтобы выделить из этого потока солнечные нейтрино, да ещё и образующиеся именно в CNO-цикле, потребовалась напряжённая работа исследователей.

К слову, в команду проекта входит более ста учёных со всего мира, в том числе из России. Среди них сотрудники НИИ Ядерной физики имени Д.В. Скобельцына МГУ, НИЦ "Курчатовский институт" и Объединённого института ядерных исследований.

По данным детектора исследователи вычислили, сколько нейтрино, рождающихся в CNO-цикле, достигает Земли. Как указано в пресс-релизе МГУ, ежесекундно через квадратный сантиметр земной поверхности проходит 700 миллионов (!) таких частиц. Эта впечатляющая цифра составляет около 1% от общего потока солнечных нейтрино. Такие данные очень хорошо согласуются с расчётами, согласно которым около 1% энерговыделения Солнца приходится на CNO-цикл.

Таким образом, прогнозы теоретиков блестяще подтвердились. Теперь на очереди вопросы, на которые ответа пока нет. Например, нейтринные наблюдения должны помочь уточнить элементный состав нашего светила, который пока не очень хорошо известен.

К слову, ранее Вести.Ru рассказывали о происхождении космических нейтрино сверхвысоких энергий. Писали мы и о том, как эти частицы можно использовать для изучения процессов, происходящих внутри атомного ядра.