Аналіз даних детектора Borexino вперше дозволив фізикам підтвердити виявлення нейтрино, які утворюються всередині Сонця в ході CNO-циклу. Реєстрація цих частинок є експериментальним свідченням протікання ядерних реакцій цього типу в надрах зірок, а подальші дослідження дозволять уточнити хімічний склад Сонця. Про результати вчені повідомили на віртуальній конференції «Neutrino 2020», їх публікація в рецензованому журналі на даний момент відсутня.
Оновлено: у листопаді 2020 року стаття опублікована в
CNO-цикл - це сукупність ядерних реакцій, в ході яких водень перетворюється на гелій за участю вуглецю (C), азоту (N) і кисню (O). Вчені вважають, що цей цикл є одним з основних процесів термоядерного синтезу для масивних зірок головної послідовності, але відбувається і в надрах більш легких світил - в тому числі всередині Сонця.
Оскільки спостерігати внутрішності зірки безпосередньо неможливо, інформацію про термоядерні процеси фізики отримують за допомогою непрямих вимірювань. Джерелом даних тут виступають нейтрино - надзвичайно легкі (енергія спокою оцінюється в менш ніж 0,12 електронвольт) елементарні частинки, які, зокрема, стають продуктами реакцій CNO-циклу. Особливість нейтрино полягає в тому, що вони дуже слабо взаємодіють з речовиною.
З одного боку, це спрощує роботу вчених - випущені в надрах світила частинки практично безперешкодно доходять до спостерігача і при цьому майже не втрачають енергію - згідно з оцінками, через кожен квадратний сантиметр поблизу поверхні Землі пролітають десятки мільярдів нейтрино в секунду (з них сотні мільйонів народжені в CNO-циклі). З іншого боку, істотно ускладнюється реєстрація частинок - з колосального числа нейтрино лише мала частина взаємодіє з речовиною. Щоб виявити достатню кількість подій, необхідно будувати масивні детектори, ретельно ізолювати їх від шуму і продовжувати експеримент аж до декількох років.
Учасники проекту Borexino під керівництвом Джаокіно Рануччі (Gioacchino Ranucci) з Національного інституту ядерної фізики в Італії провели обробку даних нейтринного детектора в період з липня 2016 по лютий 2020 року. Установка оснащена кількома шарами захисту, кожен з яких відсіює фонові частинки космічного випромінювання і земної радіоактивності. У центральній частині детектора розташована куля з 280 тонн рідкого сцинтилятора в нейлоновій оболонці, яку оточують 2200 фотоелектронних множників (ФЕУ).
При розсіянні нейтрино на електронах сцинтилятора виникає випромінювання, яке ФЕУ реєструють і перетворюють у вихідний сигнал - за його амплітудою можна визначити енергію виявленої частинки. Установка дозволяє щодня реєструвати близько ста подій, проте трудність полягає в тому, що детектор вловлює нейтрино відразу від усіх можливих процесів - починаючи від протон-протонного циклу, який становить основу термоядерних реакцій в Сонці, і закінчуючи радіоактивними розпадами в земних надрах. Щоб у розподілі подій з енергії виділити нейтрино CNO-циклу, необхідно залучати теоретичні моделі і з великою точністю обчислювати вклади фонових реакцій у сумарний потік частинок.
Виконавши такі обчислення і обробивши з їх допомогою багаторічну статистику детектора, фізики вперше змогли надійно підтвердити реєстрацію нейтрино CNO-циклу - за словами авторів, статистична значимість гіпотези досягла рівня 5º. Таким чином, вчені отримали перше достовірне експериментальне свідчення термоядерних реакцій цього типу в надрах зірки. Майбутні дослідження дозволять на основі таких даних уточнити вміст вуглецю, азоту і кисню в складі Сонця і, ймовірно, отримати додаткові відомості про фізику зірок.
Раніше ми розповідали про те, як установка Borexino дозволила визначити частку енергії протон-протонного циклу в Сонці і оцінити розігрів Землі від ядерних розпадів у мантії планети. Детальніше про історію нейтринного експерименту можна дізнатися в матеріалі «Лабораторія під горою».