Не пять событий, а прорыв: как нейтрино подтвердили одну из самых тонких теорий физики. Это считалось почти невозможным

Детектор SNO+ зафиксировал пять редких реакций — физики

Впервые в истории физики солнечные нейтрино были использованы для подтверждения гипотезы об их способности вступать в сверхредкие ядерные реакции с углеродом-13 — тяжелым стабильным изотопом углерода.

Это открытие, сделанное с помощью подземного детектора SNO+ в Канаде, раскрывает новые грани поведения этих почти неуловимых частиц. Об этом рассказала пресс-служба Оксфордского университета.

Нейтрино: призрачные частицы с мощным потенциалом

Нейтрино — это элементарные частицы, не имеющие электрического заряда и обладающие исключительно малой массой. Они практически не взаимодействуют с материей, что делает их чрезвычайно трудными для обнаружения. Однако именно эти свойства делают нейтрино уникальным инструментом для изучения внутренних процессов звёзд, в том числе Солнца.

Каждую секунду через каждый квадратный сантиметр Земли проходят миллионы нейтрино, образованных в недрах Солнца при слиянии протонов. Именно эти частицы были задействованы в эксперименте, проведённом при помощи установки SNO+.

Детектор SNO+: сердце эксперимента глубоко под землей

Установка SNO+ (Sudbury Neutrino Observatory Plus) была построена в 2017 году в канадском Садбери, глубоко под земной поверхностью, чтобы исключить влияние фоновых частиц.

Детектор представляет собой гигантскую сферу, выполненную из акрила и заполненную жидким ароматическим углеводородом. Внутри сферы размещены высокочувствительные фотодатчики, способные фиксировать мельчайшие вспышки света, возникающие при взаимодействии нейтрино с веществом.

Когда нейтрино пролетает через жидкость, в редких случаях оно сталкивается с атомами, вызывая рождение нейтрона и сопровождающую это событие световую вспышку. Эти вспышки и служат основой для анализа.

"Детектор фиксирует не только "солнечные" нейтрино, возникающие при термоядерном синтезе, но и особый тип — "борные" нейтрино, рождающиеся в результате распада атомов бора-8", — поясняют авторы исследования.

"Борные" нейтрино: ключ к структуре Солнца

"Борные" нейтрино образуются в ядре Солнца в результате распада ядер бора-8. Это событие сопровождается появлением двух альфа-частиц и электрона. Эти нейтрино обладают более высокой энергией по сравнению с обычными солнечными и представляют особый интерес для физиков. Они могут проникать через толщу Земли и быть зафиксированы в детекторах вроде SNO+.

До недавнего времени не удавалось подтвердить одно из предсказаний: возможность взаимодействия "борных" нейтрино с атомами углерода-13, оставляющего около 1% в общей массе углерода во Вселенной.

Новое открытие: подтверждение редчайшей реакции

Физики выдвинули гипотезу, согласно которой при столкновении нейтрино с ядром углерода-13 образуется нестабильный изотоп азота-13. Его распад сопровождается световой вспышкой, которую можно зафиксировать в детекторе. Это дало шанс зафиксировать сверхредкую реакцию — раньше она была лишь теоретической.

Анализ данных, собранных между маем 2022 и июнем 2023 года, позволил обнаружить пять событий, соответствующих такому взаимодействию. Это совпадает с прогнозами, основанными на существующих теориях. Таким образом, учёным удалось:

Впервые зарегистрировать взаимодействие "борных" нейтрино с углеродом-13
Подтвердить, что такие реакции возможны даже при крайне низких энергиях
Получить новые экспериментальные данные для уточнения модели ядерных процессов в Солнце

"Мы впервые доказали, что нейтрино способны вступать в подобную реакцию с ядром углерода, что открывает новые перспективы для исследований звездных процессов", — сообщили представители Оксфордского университета.

Почему это важно для физики и астрономии

Подтверждение возможности подобных реакций имеет сразу несколько последствий:

Уточнение моделей строения Солнца и других звёзд
Углубление понимания слабого ядерного взаимодействия, одного из четырёх фундаментальных взаимодействий в природе
Возможность расширить способы регистрации и классификации нейтрино, что важно для нейтринной астрономии
Расширение границ понимания поведения материи при экстремальных условиях

Это также позволяет по-новому взглянуть на роль нейтрино в ядерной физике, ведь ранее их взаимодействие с углеродом-13 считалось практически неуловимым.

Плюсы и минусы открытия

Плюсы:

Подтверждена крайне редкая, ранее теоретическая реакция
Доказана способность нейтрино вступать в ядерные взаимодействия при низкой энергии
Расширены горизонты для ядерной и астрофизической теории
Повышена ценность нейтринных детекторов как исследовательского инструмента

Минусы:

Регистрация событий остаётся крайне редкой и сложной
Требуются массивные установки с высокой чувствительностью
Ограниченные возможности масштабировать исследование

Сравнение: нейтрино в теориях и на практике

Параметр	Теоретическая модель	Эксперимент SNO+
Взаимодействие с углеродом-13	Предсказывается, но не подтверждено	Подтверждено впервые
Энергия взаимодействия	Низкая	Низкая, как и ожидалось
Частота событий	Крайне редкая	5 подтвержденных столкновений
Метод обнаружения	Моделирование	Световая вспышка и анализ