Нейтринная алхимия: обнаружены частицы-призраки Солнца, преобразующие атомы

На глубине тысяч метров под землей, в хтонических глубинах земной коры, ученые наконец-то зафиксировали солнечные нейтрино в момент превращения углерода-13 в азот-13. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Это первый случай наблюдения такой редкой ядерной реакции, опосредованной нейтрино, демонстрирующий, как некоторые из самых неуловимых и неосязаемых частиц во Вселенной, тем не менее, могут незаметно изменять материю в подземной темноте, далеко от поверхности.

«Это открытие использует естественное содержание углерода-13 в жидком сцинтилляторе эксперимента для измерения специфического, редкого взаимодействия», — говорит физик Кристин Краус из SNOLAB, нейтринной обсерватории в Канаде, где было сделано это открытие. «Насколько нам известно, эти результаты представляют собой самые низкоэнергетические наблюдения взаимодействия нейтрино с ядрами углерода-13 на сегодняшний день и обеспечивают первое прямое измерение сечения этой конкретной ядерной реакции с основным состоянием образующегося ядра азота-13».

Нейтрино — одни из самых распространенных частиц во всей огромной Вселенной. Они образуются в условиях высокой энергии, например, при взрывах сверхновых и при термоядерном синтезе в ядрах звезд, — поэтому они встречаются практически повсюду.

Однако они не обладают электрическим зарядом, их масса практически равна нулю, и они почти не взаимодействуют с другими частицами, с которыми сталкиваются. Сотни миллиардов нейтрино прямо сейчас проходят сквозь ваше тело, просто проходя мимо, как призраки. Именно поэтому их ласково называют частицами-призраками.

Но время от времени нейтрино действительно сталкивается с другой частицей — столкновение, которое порождает ничтожно слабое свечение и поток других частиц. Однако их трудно обнаружить на поверхности Земли, где космические лучи и фоновое излучение маскируют сигнал.

Вот почему некоторые из лучших детекторов нейтрино находятся глубоко под землей, где сама земная кора служит радиационным экраном. Там гигантские камеры облицованы фотодетекторами и заполнены жидким сцинтиллятором, который усиливает крошечные сигналы, генерируемые редкими взаимодействиями нейтрино, расцветающими в полной, безмолвной темноте.

Нейтрино, образовавшиеся в ядре Солнца, постоянно движутся сквозь Землю . Их энергия находится в хорошо известном диапазоне, что позволяет легко отличить их от атмосферных и астрофизических нейтрино, которые гораздо более энергичны и встречаются гораздо реже. На глубине 2 километров детектора SNO+ в SNOLAB почти все события в этом энергетическом диапазоне имеют солнечное происхождение.

Исследовательская группа под руководством физика Гулливера Милтона из Оксфордского университета в Великобритании тщательно 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 солнечный электронный нейтрино сталкивается с ядром углерода-13, это столкновение приводит к двум последствиям. Во-первых, к образованию электрона — частицы 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, вызванное нейтрино, превращает один из этих нейтронов в протон, испуская электрон.

С увеличением числа протонов с шести до семи атом уже не является углеродом, а представляет собой азот-13, имеющий семь протонов и шесть нейтронов.

Примерно через 10 минут образовавшийся изотоп азота-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 двухступенчатая вспышка, известная как отложенное совпадение. По сути, исследователи могут наблюдать электрон, за которым через 10 минут следует позитрон, как признак превращения нейтрино углерода-13 в азот-13.

На основе данных наблюдений за 231 день исследователи выявили 60 потенциальных событий. Обработав данные о потенциальных событиях с помощью статистической модели, они оценили количество нейтрино-индуцированных превращений углерода в азот равную 5,6. Это довольно близко к ожидаемым 4,7 событиям.

«Зафиксировать это взаимодействие — выдающееся достижение, — говорит Милтон. — Несмотря на редкость изотопа углерода, мы смогли наблюдать его взаимодействие с нейтрино, которые зародились в ядре Солнца и преодолели огромные расстояния, чтобы достичь нашего детектора».

Результат впечатляет. Подтверждение теоретических предсказаний всегда приносит удовлетворение, поскольку это означает, что наука движется в правильном направлении.

Это также позволяет получить новые данные о вероятности этой конкретной низкоэнергетической реакции нейтрино с углеродом. Это означает, что устанавливается новый эталон для ядерной физики, который будет полезен в будущих исследованиях.

«Сами по себе солнечные нейтрино уже много лет являются интригующим предметом изучения, и измерения их, проведенные в рамках нашего предшественника, эксперимента SNO, привели к присуждению Нобелевской премии по физике в 2015 году», — говорит физик Стивен Биллер из Оксфордского университета. «Удивительно, что наше понимание нейтрино, испускаемых Солнцем, настолько продвинулось, что мы теперь можем впервые использовать их в качестве «тестового пучка» для изучения других видов редких атомных реакций!»