Нейтринная картина Солнца завершена
25 октября 2018
Десять лет наблюдений в рамках эксперимента Borexino помогают лучше понять, как светит Солнце.
Исследователи международного эксперимента Borexino, в котором принимают участие и российские физики, представили результаты десяти лет нейтринных исследований. Анализ данных, собранных более чем за 2000 дней, позволил впервые измерить все потоки солнечных нейтрино от различных реакций в недрах Солнца. Полученные результаты дают более глубокое понимание термоядерных процессов, протекающих внутри Солнца, и в целом подтверждают теоретические предсказания Стандартной солнечной модели.
По современным представлениям, 99% энергии, производимой Солнцем, высвобождается в процессе трёх возможных последовательностей ядерных реакций так называемого протон-протонного цикла. В этих термоядерных реакциях атомы водорода превращаются в атом гелия с выделением большого количества различных частиц и электромагнитного излучения, включая свет и тепло. Среди них есть и два электронных нейтрино.
Нейтрино – единственные из частиц, рождающихся в центре Солнца, которые долетают до Земли в неизменном виде. Они способны проходить через вещество и магнитные поля и доносить до нас информацию о термоядерных процессах внутри Солнца.
Нейтрино испытывают осцилляции – квантовый процесс перехода из одного типа в другой. Вероятность этого процесса зависит от их энергии и ряда других параметров. Рождающиеся в различных реакциях на Солнце нейтрино обладают разными энергиями. Наблюдая за ними, можно не только изучать нейтринные осцилляции, но также искать возможные эффекты за пределами Стандартной модели физики частиц – такие, как нестандартные взаимодействия нейтрино и переходы нейтрино в так называемое стерильное состояние.
Для регистрации нейтрино в мире существует несколько мегаустановок, среди которых детектор Борексино (Borexino) – один из самых чувствительных. Он расположен глубоко под землёй в лаборатории Гран Сассо (Италия). Детектор представляет собой нейлоновую сферу диаметром 8,5 метров, заполненную 300 тоннами очень чистого жидкого органического сцинтиллятора, окруженную 1000 тонн воды и еще многими слоями защиты. Благодаря этому радиационный фон внутри детектора, способный помешать измерениям, в 100 миллиардов раз ниже, чем в окружающей среде. Нейтрино под силу преодолеть такую систему защиты и вступить в реакцию со сцинтиллятором. За этим процессом «наблюдают» 2200 датчиков – фотоумножителей.
В отличие от всех других экспериментов с солнечными нейтрино, Борексино –единственный детектор на Земле, способный наблюдать солнечные нейтрино и высоких, и низких энергий одновременно. Это позволяет исследовать солнечное ядро с помощью нейтринной спектроскопии. Измерение относительного вклада трёх различных последовательностей протон-протонного цикла, определенного из эксперимента Borexino, можно использовать для определения температуры в солнечном ядре, которое сложно изучать с помощью гелиосейсмологии.
Детектор смог впервые измерить поток нейтрино от Солнца с уникально высокой точностью 2,7% – в два раза более высокой, чем теоретические предсказания Стандартной солнечной модели. Использовав измеренный поток нейтрино для расчёта полной мощности, генерируемой ядерными реакциями в ядре Солнца, исследователи ещё раз доказали, что ядерный синтез действительно является источником энергии на Солнце. Образно говоря, теперь мы стали лучше понимать, как и почему светит Солнце.
Среди прочих результатов исследования можно отметить новые сведения о металличности Солнца (то есть о содержании элементов тяжелее гелия). Возможно, это послужит первым шагом в решении давней научной проблемы с определением точного химического состава Солнца. Дело в том, что данные о концентрации элементов тяжелее гелия на Солнце, полученные путём спектроскопии и методами гелиосейсмологии, противоречат друг другу. Более того, самые последние спектроскопические определения металличности дали значение на 35% ниже, чем более старые спектроскопические результаты. Исследования на детекторе Борескино указывают на высокую металличность. Однако результаты еще недостаточно точны, чтобы дать здесь однозначный ответ. (Ожидается, что Борексино продолжит собирать давать информацию о Солнце до 2020 года.) Полностью исследование опубликовано в Nature.
Российские физики внесли существенный вклад в развитие проекта в виде разработки, изготовления и внедрения электроники для сбора данных и мониторинга детектора, алгоритмов моделирования и анализа данных. В составе Борексино функционирует разработанный российскими исследователями электронно-измерительный комплекс на базе быстрых оцифровщиков формы импульса.
От России в проекте участвуют сотрудники НИИЯФ имени Д. В. Скобельцына при Московском государственном университете имени М. В. Ломоносова, Национального исследовательского центра «Курчатовский институт», работающие на площадках в Москве и Санкт-Петербурге, а также Объединенного института ядерных исследований.
Источник
Зачем исследуют поток нейтрино, поступающий от солнца?
наука так устроена, что изучает все, что может. А потом прибегают практики — и для них находится что-то полезное.
а что вам тут непонятно? Вот недавно открыли, что у нейтрино есть масса, искать стали обнаружим недостачу нейтрино от солнца. А еще недавно смогли увидеть, из какой части солнца идет поток нейтрино, то есть где в Солнце идет термоядерная реакция. А значит узнали и как будет солнце развиваться дальше.
Если речь идет о солнечных нейтрино, то и чисто фундаментального физического любопытства эти исследования позволят на ранних этапах узнавать, что творится внутри “солнечного ядерного реактора”. Для этого нужно отказаться от принципа “боженька дал нам то Солнце, что есть, поэтому давайте на него не глазеть, не задумываться, как оно работает. ”
Благодаря исследованиям Солнца, особенно с использованием космических обсерваторий, глубина прогнозирования солнечных бурь достигла месяца. То есть, на месяц вперед, можно сказать какой силы магнитная буря нас ожидает. Разве это плохо, что разные люди от связистов до стариков пользуются этой информации. Связисты могут справиться со сбоями в связи, а старики продлить себе жизнь.
А если внимательно смотреть в недра Солнца при помощи нейтринных телескопов, то временная глубина прогнозов возрастает. Это наука, а не шаманские скачки с бубном. Если сегодня прозевают аномальную вспышку солнечной активности, то винить будут в первую очередь ученых. Если так, то нужно в первую очередь поддерживать науку, а с бубном и шаманами каждый имеет право танцевать по выходным.
Источник
Зачем мы ищем нейтрино? Для чего?
Нейтрино является одной из самых распространенных частиц во Вселенной. При этом их невероятно сложно обнаружить. Более того, нейтрино настолько неуловимы, что физики со всего мира просто зациклены на них.
В прошлом году два эксперимента получили первые результаты, свидетельствующие о том, что проекту не обязательно быть большим, чтобы стать значимым в мире науки, и о том, что помешательство еще долго не прекратится.
Нейтрино — это субатомные частицы, очень похожие на электроны, но не имеющие электрического заряда. Их масса настолько мала, что, по предположениям ученых, она может быть равна нулю. Также они почти не взаимодействуют с веществом, поэтому их так трудно обнаружить.
Все это может натолкнуть нас на мысль: почему ученые так усердно ищут нейтрино? Если говорить вкратце, это потому, что они содержат информацию о явлениях и процессах, которые их порождают — события, которые исследователи пытаются воссоздать.
«Нейтрино рассказывают нам чрезвычайно много о том, как Вселенная создается и удерживается от распада. Нет другого способа ответить на многие вопросы», — сказал Натаниэль Боуден, ученый из Ливерморской Национальной лаборатории имени Лоуренса.
Эксперты сравнили поиск этих частиц с работой археологов, восстанавливающих доисторические артефакты с целью понять, какой жизнь была тогда. Лучшее понимание нейтрино может раскрыть тайны других элементов астрономии и физики: от темной материи до расширения Вселенной.
Поэтому ученые убеждены, что стоит изучать нейтрино, и они готовы инвестировать в широкомасштабные проекты. Например, эксперимент COHERENT Окриджской национальной лаборатории состоял из пяти детекторов частиц, предназначенных для непосредственного наблюдения высокоспецифического взаимодействия между нейтрино и ядрами атомов. Сопряженный с этим эксперимент — PROSPECT, производит более точные измерения нейтрино.
И хотя эти проекты представляют самый маленький в мире детектор нейтрино, они уже сделали несколько важных открытий. В прошлом году ученые, стоявшие за этими двумя проектами, опубликовали исследование в Science о взаимодействии между двумя нейтрино, которое было выдвинуто в качестве гипотезы десятилетиями ранее, но никогда прежде не наблюдались.
Другие, более крупные эксперименты, например, эксперимент на Южном полюсе, используют огромные машины и конструкции, чтобы зафиксировать следы этих таинственных частиц.
Мы не знаем, сколько стоят эти эксперименты, но вы можете подумать, что деньги, потраченные на них, могли бы пойти на что-то непосредственно относящееся к жизни людей, например, на разработку лекарств или борьбу с изменением климата.
Но понимание нейтрино является ключом к пониманию Вселенной. Нейтрино может помочь нам определить другие силы во Вселенной, которые мы еще не смогли обнаружить или понять. Если мы сможем понять, что такое нейтрино, возможно, мы сможем ответить на некоторые важнейшие вопросы физики, которые лежат в основе самого нашего существования.
Источник
Журнал «Все о Космосе»
Физик Евгений Литвинович о частицах нейтрино, летящих от Солнца, стандартной солнечной модели и проблеме металличности
За последние тридцать лет нейтринная физика получила четыре Нобелевских премии. Две из них практически были отданы за эксперименты с солнечными нейтрино. Что же в них такого интересного и удивительного?
От огромного зоопарка элементарных частиц нейтрино отличает то, что оно обладает огромной проникающей способностью. Если заполнить пространство от Земли до ближайшей к нам звезды, до Проксимы Центавра, свинцом, вы все равно не сможете остановить нейтрино: оно пролетит это расстояние насквозь через этот свинец, потому что очень слабо взаимодействует с веществом. Вторая очень интересная особенность нейтрино — их сверхмалая масса. Нейтрино — это единственная частица, массу которой мы до сих пор не знаем. Но именно эксперименты с солнечными нейтрино позволили нам сначала заподозрить более сложную природу нейтрино, чем мы предполагали раньше, а потом и непосредственно в этом убедиться.
Интерес к исследованиям солнечных нейтрино носит чисто фундаментальный характер: мы хотим знать, почему светит Солнце, что является источником его энергии. Только в 30-х годах XX века Бете и Вайцзеккер, опираясь на ранние догадки Эддингтона, предположили, что в звездах могут проходить термоядерные реакции в виде протон-протонной цепочки и CNO-цикла.
Протон-протонная цепочка — это последовательность ядерных реакций, которая начинается с реакции слияния двух протонов. Именно по этой реакции ее и называют протон-протонной цепочкой, pp-цепочкой. Когда два протона сливаются, у нас образуется дейтрон — это ядро изотопа водорода, а также позитрон и нейтрино. Вот эти нейтрино называют pp-нейтрино. Дальше, поскольку в этой реакции образовался дейтрон, уже становятся возможными реакции с участием дейтрона. То есть протон сливается с дейтроном, образуется гелий-3 и так далее. В процессе этих реакций будут нарабатываться различные легкие изотопы, легкие ядра, которые потом тоже смогут участвовать в ядерных реакциях. В пяти реакциях протон-протонной цепочки образуются нейтрино. Pр-цепочка заканчивается образованием альфа-частицы, ядра гелия.
Температура Солнца такова, что при ней в основном идет именно протон-протонная цепочка. Хотя в более массивных и более горячих, чем Солнце, звездах должен протекать CNO-цикл — тоже последовательность реакций, но идущая через другие реакции с участием других ядер. В пределах CNO-цикла на некоторых этапах образуются бета-радиоактивные ядра, которые, распадаясь, образуют CNO-нейтрино.
Как доказать, что в звездах протекают именно эти последовательности термоядерных реакций? Ведь известно, что тот свет, который долетает до нас от Солнца, либо долетает с поверхности, либо, если он родился в недрах Солнца, то это произошло несколько тысяч лет назад. Вещество Солнца очень плотное, плотность Солнца составляет 150 грамм на кубический сантиметр. Фотоны, которые там родились, начинают рассеиваться на ядрах, блуждать на электронах. Им нужно очень много времени, чтобы выбраться из недр Солнца. Соответственно, потеряв эту память, они не несут никакой информации о глубинных процессах, которые там происходили.
Протоны, легкие ядра, электроны тоже вылетают с поверхности — это происходит, например, во время солнечных вспышек. Но это тоже не дает нам никакой информации о том, что происходит внутри. И тут на помощь приходят нейтрино и их удивительная проникающая способность. Они вылетают из солнечных недр, покидают Солнце и долетают до Земли через восемь с половиной минут — именно столько им необходимо, чтобы пролететь почти со скоростью света 150 миллионов километров от Солнца до Земли, где мы их регистрируем.
В истории экспериментальных исследований нейтрино от Солнца было три поколения детекторов. На каждом этапе ставились разные задачи. В конце 60-х годов прошлого века, когда строился хлор-аргоновый эксперимент, стояла амбициозная для того времени, но весьма скромная для наших дней задача — зарегистрировать нейтрино от Солнца, то есть просто показать, что на Солнце действительно происходит горение водорода. Этот этап завершился блестящим триумфом. Первый хлор-аргоновый эксперимент Дэвиса — это та самая первая Нобелевская премия, которые получила нейтринная физика за исследования солнечных нейтрино.
В дальнейшем у нас возникла загадка солнечных нейтрино, которая заключалась в том, что измеренный этим детектором поток нейтрино от Солнца оказался в три раза меньше того, который предсказывался, и это невозможно было объяснить. Тогда появилось второе поколение детекторов, которые были нацелены на разрешение этой загадки и проверку гипотезы о существовании нейтринных осцилляций, перехода нейтрино из одного типа в другой. Этот этап также завершился успешно. За открытие нейтринных осцилляций была присуждена вторая в исследованиях солнечных нейтрино Нобелевская премия.
На третьем этапе мы смогли наиболее полно поставить вопросы изучения Солнца при помощи нейтрино, не отказываясь от продолжения изучения фундаментальных свойств самого нейтрино. В первую очередь речь здесь пойдет об эксперименте Борексино.
Я должен рассказать, что такое стандартная солнечная модель. Для экспериментальной физики нейтрино важно то, что потоки нейтрино предсказываются по стандартной солнечной модели. Благодаря этим вычислениям мы узнаем, какими должны быть потоки нейтрино от той или иной родительской реакции на Солнце, какими должны быть их спектры. Стандартная солнечная модель — это эволюционная модель звезды. Представьте, что в момент времени t0 вы создаете некую математическую модель звезды, которая имеет определенную массу, радиус и концентрацию элементов в себе. Потом вы запускаете счетчик времени и говорите этой модели: «Живи. Начинай эволюционировать». Начинается реакция горения водорода, наработка новых легких ядер. В каждый момент времени вы знаете, как у вас меняются параметры: светимость Солнца, концентрация элементов и др. Но через четыре с половиной миллиарда лет — а это время жизни Солнца — мы должны получить модель, имеющую такие параметры, которые Солнце имеет сегодня. Тогда мы сможем назвать ее успешной.
В модель закладывается больше двадцати параметров, какие-то из них мы знаем достаточно хорошо, а какие-то — не очень. В зависимости от значения параметров, заложенных в стандартную солнечную модель, мы можем получить на выходе отличающиеся потоки нейтрино. Это очень актуальная задача, которая возникла буквально в последние годы. Как раз с недавних измерений концентрации тяжелых элементов на Солнце — а тяжелыми элементами в астрофизике и космологии называют все, что тяжелее гелия, — начались исследования проблемы металличности Солнца.
Измерения концентрации тяжелых элементов на Солнце показали, что эта концентрация, по-видимому, меньше, чем мы думали раньше. Тогда астрофизики заложили новые значения этих концентраций в солнечную модель и для определенных реакций получили потоки, довольно сильно отличающиеся от тех, которые мы получали раньше. Таким образом, если у нас будет детектор, который сможет довольно точно измерять нейтрино от конкретных родительских реакций на Солнце, то мы сможем помочь астрофизикам разрешить проблему металличности на Солнце.
Согласно стандартной солнечной модели нейтрино, которые вылетают с Солнца, имеют энергии в области от 0 до примерно 18 МэВ. Чтобы понять, много это или мало, могу сказать, что энергии, которые сегодня развивают протоны на Большом адронном коллайдере, в 100 тысяч раз больше этих энергий. Но полный поток нейтрино, которые летят от Солнца, колоссален: каждую секунду через один квадратный сантиметр поверхности пролетает 60 миллиардов нейтрино. Их очень много, и они почти совсем не взаимодействуют.
Таким образом, если термоядерные реакции на Солнце протекают так, как нам их предсказали Бете и Вайцзеккер, в виде протон-протонной цепочки и в очень редком числе случаев в виде CNO-цикла, то стандартная солнечная модель предсказывает нам, какими должны быть потоки нейтрино от конкретных родительских реакций на Солнце и какие они имеют спектры.
Источник