Кіріспе

Күн нейтриносы – Күннің ядросындағы ядролық синтез нәтижесінде пайда болатын бөлшек. Кез келген сәтте Жерде байқалатын нейтринолардың ең көп таралған түрі – осы күн нейтриносы. Нейтринолар – тым кішкентай тыныш массасы және бейтарап электр заряды бар элементар бөлшектер. Олар материямен әлсіз өзара әсерлесу және гравитация арқылы ғана өзара әрекеттеседі, бұл оларды анықтауды өте қиын жасайды. Осының салдарынан күн нейтриносы мәселесі туындаған, бірақ қазір ол шешілді. Күн нейтриносы туралы көп мәлімет белгілі болғанымен, осы саладағы зерттеулер жалғасуда.

Үйдегі эксперимент

Күн нейтриноларының тарихы мен олардың ашылуы 1960 жылдарға дейін барып жетеді, бұл бастама екі астрофизик – Джон Н. Бахалл мен Реймонд Дэвис кішіге тиесілі. Эксперимент, оның орнына аталған қаланың (Homestake, Оңтүстік Дакота) есімімен Homestake эксперименті деп аталды, Жерге келіп түсетін күн нейтриноларын санауға бағытталған. Бахалл өзі әзірлеген күн моделін пайдаланып, күн нейтриноларын зерттеудің ең тиімді жолы хлор-аргон реакциясы екеніне келді. Өзінің моделі арқылы Бахалл Күннен Жерге күтілетін нейтринолар санын есептеп шығара алды. Теориялық мән анықталғаннан кейін астрофизиктер эксперименттік растауға кірісті. Дэвис жүздеген мың литр перхлорэтиленді – көміртек пен хлордан құралған химиялық қосылысты пайдаланып, хлор-аргон детекторы арқылы нейтриноларды іздеу идеясын ұсынды. Понтекорвоның бұл теориясы, тәжірибелік және теориялық нәтижелер арасындағы айырмашылықты түсіндіруге көмектесер еді.

Күн нейтриноларының мәселесін шешу

Понтекорво өзінің теориясын дәлелдей алмады, бірақ оның ойлары дұрыс бағытта болды. 2002 жылы Судбери нейтрино обсерваториясында, жер астында 2100 метр тереңдікте жүргізілген эксперимент нәтижелері Понтекорвоның теориясын растап, қолдады және Күннен шыққан нейтринолардың формасы немесе «дәмі» өзгеріп отыратынын көрсетті, себебі олар толығымен массасыз емес. Нейтрино осцилляциясының ашылуы, Дэвис пен Бахалл күн нейтриноларын зерттей бастағаннан шамамен 40 жыл өткен соң, күн нейтрино мәселесін шешті.

Супер-Камиокенде

Супер Камиоканде – жер астында орналасқан 50 мың тонналық су Cherenkov детекторы. Жапонияда бұл детектор нейтриноны бақылаудан өзге, ғарыш сәулелерін бақылау және протондардың ыдырауын іздеу үшін де қолданылады. 1998 жылы Супер Камиокандеде нейтрино осцилляциясын – нейтриноның электронға, мюонға немесе тауға ауысу процесін ашқан Супер Камиоканде эксперименті өткізілді. Супер Камиоканде эксперименті 1996 жылы басталды және қазірге дейін жалғасуда. Эксперимент барысында детектор су молекулаларын талдау арқылы нейтриноларды анықтайды, олардан электрондардың бөлініп шығуын тіркеп, нәтижесінде нейтринолардың тудырған көк түсті Черенков сәулесін байқайды. Осылайша, көк жарық тіркелген кезде нейтриноның бар екені анықталып, саны есептеледі.

Садбери нейтрино обсерваториясы

Канаданың Садбери қаласындағы жер асты обсерваториясы – Судбери нейтрино обсерваториясы (SNO) – 1990 жылдардың соңы мен 2000 жылдардың басында нейтрино осцилляциясын зерттеулер жүргізілген тағы бір орын. Осы обсерваториядағы және Супер-Камиокандедегі эксперименттердің нәтижелері күн нейтрино мәселесін шешуге көмектесті. SNO сондай-ақ ауыр сулы Черенков детекторы болып табылады және Супер-Камиоканде сияқты жұмыс істеу үшін жасалған. Нейтринолар ауыр сумен реакцияға түскенде көк түсті Черенков сәулесін тудырады, бұл зерттеушілер мен бақылаушыларға нейтриноның табылуын хабарлайды.

Байқалған деректер

[[Файл:Нейтриноның күн сәулесінен ағысы спектрі. Күн нейтриноларының ең көп саны протон-протон реакциясының тікелей өнімдері болып табылады (сол жақтағы биік, қою көк қисық). Олардың энергиясы төмен, тек 400 кэВ-қа дейін жетеді. 18 МэВ-қа дейінгі энергияға ие тағы бірнеше маңызды өндіріс механизмдері бар. Жерден қарағанда, Жердегі нейтрино ағынының мөлшері шамамен 7·1010 бөлшектер·см−2·с −1. Нейтринолардың санын стандартты күн моделі үлкен сенімділікпен болжауға болады, бірақ Жерде анықталған нейтринолардың саны және болжалған нейтринолардың саны үшінші фактормен ерекшеленеді, бұл күн нейтриноларының проблемасы. Күн модельдері сондай-ақ олардың пайда болуына әкелетін ядролық синтез реакциясына байланысты күн нейтриноларының шығуы тиіс Күн ядросының ішіндегі орналасуын болжайды. Болашақтағы нейтрино детекторлары осы нейтринолардың кіретін бағытын осы әсерді өлшеу үшін жеткілікті дәлдігімен анықтай алады. Күндіз (қызғылт, үздіксіз) немесе түні (күлгін, үзіліспен) келетін күн нейтриноларының тіршілік ету ықтималдығының теориялық қисықтары, нейтринолардың энергиясының функциясы ретінде. Сонымен қатар протон-протон тізбегінің төрт түрлі тармағына сәйкес келетін өлшеулер жүргізілген нейтринолардың энергиясының төрт мәні көрсетілген. Күн нейтриноларының энергия спектрін де күн модельдері болжайды. Бұл энергия спектрін білу өте маңызды, өйткені әртүрлі нейтриноны анықтау эксперименттері әртүрлі нейтрино энергиясының диапазонына сезімтал. Homestake эксперименті хлорды қолданды және бериллийдің 7Be изотобының ыдырауынан пайда болған күн нейтриноларына аса сезімтал болды. Судберидегі нейтрино обсерваториясы 8B-дің шығаратын күн нейтриноларына аса сезімтал. Галлийді пайдаланатын детекторлар протон-протон тізбекті реакциясы процесінде пайда болатын күн нейтриноларына өте сезімтал, алайда олар бұл үлесті бөлек байқауға мүмкіндік бермеді. Нейтриноның негізгі реакциясынан, деутерийдегі протон-протон синтезіне байланысты, 2014 жылы Борексино алғаш рет нейтриноларды байқады. 2012 жылы сол ынтымақтастық Күндегі 400 дейтерий ядросының 1-ін өндіретін протонэлектронпротон (pep реакциясы) үшін төмен энергиялы нейтриноларды анықтағанын хабарлады. Детекторда 100 тонна сұйықтық бар және күн сайын орташа есеппен 3 оқиға (C өндірісіне байланысты) осы салыстырмалы түрде сирек кездесетін термоядролық реакциядан байқалады. 2014 жылы Борексино pp реакциясынан нейтриноларды 144±33/күн жылдамдығымен сәтті тікелей анықтағанын хабарлады, бұл стандартты күн модельінің болжамына сәйкес күтілген 131±2/күн жылдамдығымен сәйкес келеді. 2020 жылы Борексино Күн ядросының терең жерлерінен CNO циклінің нейтриноларын алғаш рет анықтағанын хабарлады. Борексиноның бірнеше энергиялы нейтриноларды өлшегенін ескеріңіз; осылайша олар алғаш рет теориямен болжалған күн нейтриноларының тербелістерінің үлгісін тәжірибе жүзінде көрсетті. Нейтринолар ядролық реакцияларды бастауы мүмкін. Геологиялық уақыт ішінде күн нейтриноларына ұшыраған әртүрлі дәуірдегі ежелгі кендерге қарап, Күннің уақыт өте келе сәулесін анықтау мүмкін, ол стандартты күн моделіне сәйкес, (қазіргі) инертті қосалқы өнімге айналған гелий ядросында жинақталғандықтан, эондарда өзгерген.

Негізгі астрофизиктер

Вольфганг Паули 1930 жылы біздің ғаламда нейтрино сияқты бөлшектердің бар екендігі туралы идеяны алғаш ұсынды. Ол мұндай бөлшектің мүлдем массасыз екеніне сенді. Күн нейтрино проблемасы шешілгенге дейін бұл астрофизика қауымдастығының сенімі болды. Калифорния университетінің Ирвайн қаласындағы Фредерик Рейнс пен Клайд Коуэн 1956 жылы нейтриноны алғаш рет анықтаған астрофизиктер болды. Олар өз жұмыстары үшін 1995 жылы физикадан Нобель сыйлығын алды. Реймонд Дэвис және Джон Бахалл – күн нейтриноларын зерттеудің негізін қалаушылар. Бахалл Нобель сыйлығын ешқашан жеңбегенімен, Дэвис Масатоши Кошибамен бірге 2002 жылы күн нейтрино проблемасы шешілгеннен кейін, оны шешуге қосқан үлесі үшін Нобель сыйлығын жеңіп алды. Нейтриноның массасы бар екенін және тербеліске түсуі мүмкін екенін алғаш ұсынған астрофизик ретінде танымал Понтекорво 1993 жылы қайтыс болғандықтан, өз үлесі үшін Нобель сыйлығын алған жоқ. Канадалық физик Артур Б. Макдональд 1980-ші жылдардың ортасында Судбери нейтрино обсерваториясын (SNO) салуға маңызды үлес қосты, кейіннен SNO директоры болды және күн нейтрино проблемасын шешкен команданың жетекшісі атанды. Бұл төмен энергиядағы процестер зерттеушілерге күннің химиялық құрамы туралы маңызды ақпарат берді. Осы зерттеудің нәтижелері жалпы ағын спектрі тұрғысынан бұрынғы зерттеулермен салыстырғанда айтарлықтай өзгеше нәтижелер көрсетті. Іздеу Борексино экспериментінің екінші кезеңінен алынған деректерді пайдалану арқылы аяқталды, ол 1291,5 күнге (3,54 жылға) созылды. Нәтижелер электронның кері секіру спектрінің пішіні күтілгендей екенін көрсетті, онда едәуір өзгерістер немесе ауытқулар байқалған жоқ.