Впервые удалось уловить солнечные нейтрино CNO-цикла

На итальянском детекторе нейтрино Borexino работает большая международная коллаборация ученых, в числе которых немало и представителей России. Главной задачей проекта, запущенного в 2007 году, было обнаружение нейтрино, возникающих в ходе протон-протонного цикла — основного пути термоядерных реакций, во время которых на Солнце происходит слияние ядер водорода, образование гелия и выделение около 99 процентов всего излучения звезды.

Нужные находки сделали в начале 2010-х, и в 2020 году проект планировали закрыть. Однако новая находка, о которой коллаборация Borexino сообщает в журнале Nature, по-видимому, приведет к продлению его работы. На этот раз ученым удалось зарегистрировать сигнал от нейтрино CNO-цикла, альтернативного пути слияния водорода, в котором участвуют атомы углерода, азота и кислорода. Для такой звезды, как Солнце, CNO-цикл играет незначительную роль, но в более массивных светилах становится доминирующим.

В процессе этих реакций «тяжелые» атомы C, N и O играют роль катализаторов, а в качестве побочных продуктов возникают нейтрино с характерными свойствами. Эти сверхлегкие частицы практически не взаимодействуют с веществом, и, несмотря на то, что Солнце постоянно бомбардирует пространство потоками нейтрино, почти все они свободно пролетают сквозь наше тело, да и всю Землю.

Детекторы нейтрино улавливают лишь редчайшие из них, случайно столкнувшиеся с обычными частицами и вызвавшие краткую световую вспышку. В Borexino для этого используют 300 тонн жидкого сцинтиллятора, укрытого множеством слоев защиты и просматриваемого массивом из 2200 фотоумножителей. Отдельные события позволяют постепенно набирать статистику, все лучше выделяя сигнал на фоне случайного шума. Теперь, когда ученым удалось зарегистрировать нейтрино CNO-цикла, работа Borexino, возможно, продолжится дольше запланированного срока, чтобы собрать нужные объемы данных.

Дело в том, что одной из важнейших свойств любой звезды является ее металличность — содержание элементов тяжелее водорода и гелия. От нее зависят и характер протекающих в недрах термоядерных реакций, и эволюция звезды. Однако металличность Солнца, установленная по спектру исходящего от поверхности излучения, плохо соотносится с данными о металличности недр звезды, полученными с помощью косвенных методов, таких как астросейсмология.

Темпы CNO-цикла на Солнце могут послужить еще одним способом измерения металличности его недр, но для этого необходимо собрать больше данных и зарегистрировать больше неуловимых частиц нейтрино. Поэтому теперь ученые планируют продлить работу проекта Borexino на 2021 год, а возможно — и до 2022-го.