Введение
Солнечное нейтрино – это элементарная частица, рождающаяся в результате ядерного синтеза в ядре Солнца. Это наиболее распространенный тип нейтрино, проходящий через любой источник, наблюдаемый на Земле в данный момент времени. Нейтрино обладают чрезвычайно малой массой покоя и нейтральным электрическим зарядом. Они взаимодействуют с материей только посредством слабого взаимодействия и гравитации, что значительно затрудняет их обнаружение. Это привело к известной проблеме солнечных нейтрино, которая в настоящее время решена. В настоящее время о солнечных нейтрино известно многое, но исследования в этой области продолжаются.
A solar neutrino is a neutrino originating from nuclear fusion in the Sun's core, and is the most common type of neutrino passing through any source observed on Earth at any particular moment. Neutrinos are elementary particles with extremely small rest mass and a neutral electric charge. They only interact with matter via weak interaction and gravity, making their detection very difficult. This has led to the now resolved solar neutrino problem. Much is now known about solar neutrinos, but research in this field is ongoing.
Эксперимент с домашним огородом
Временная линия изучения солнечных нейтрино и их открытия начинается в 1960-х годах с двух астрофизиков – Джона Н. Бакалла и Рэймонда Дэвиса-младшего. Эксперимент, известный как эксперимент Homestake, названный по имени города, в котором он проводился (Хоумстейк, Южная Дакота), был направлен на подсчет солнечных нейтрино, достигающих Земли. Бахалл, используя разработанную им солнечную модель, пришел к выводу, что наиболее эффективным способом изучения солнечных нейтрино является реакция хлора с аргоном. С помощью своей модели Бахалл смог рассчитать ожидаемое количество нейтрино, прибывающих на Землю от Солнца. После определения теоретического значения астрофизики приступили к экспериментальному подтверждению. Дэвис предложил использовать сотни тысяч литров перхлорэтилена – химического соединения, состоящего из углерода и хлора – и искать нейтрино с помощью детектора хлора-аргона. Теория Понтекорво могла объяснить расхождение между экспериментальными и теоретическими результатами, которое сохранялось.
Решение проблемы солнечных нейтрино
Понтекорво так и не смог доказать свою теорию, но его рассуждения оказались верными. В 2002 году результаты эксперимента, проведенного на глубине 2100 метров в Судберийской нейтринной обсерватории, подтвердили теорию Понтекорво и показали, что нейтрино, испускаемые Солнцем, действительно способны изменять свой тип (или «вкус»), поскольку они обладают ненулевой массой. Это открытие явления колебаний нейтрино разрешило проблему солнечных нейтрино, спустя почти 40 лет после того, как Дэвис и Бахалл начали изучать солнечные нейтрино.
Супер-Камиоканде
Супер-Камиоканде — это 50 000-тонный водный детектор Черенкова, расположенный под землей. Помимо наблюдения за нейтрино, основными задачами этого детектора в Японии являются наблюдение за космическими лучами и поиск распада протонов. В 1998 году на Супер-Камиоканде был проведен эксперимент, который привел к открытию нейтринных осцилляций — процесса, при котором нейтрино изменяют свой тип, превращаясь в электронные, мюонные или тау-нейтрино. Эксперимент "Супер-Камиоканде" начался в 1996 году и продолжается по сей день. В ходе эксперимента детектор обнаруживает нейтрино, анализируя молекулы воды и фиксируя выбитые из них электроны, которые затем генерируют синее свечение Черенкова, возникающее при взаимодействии с нейтрино. Таким образом, обнаружение этого синего свечения позволяет сделать вывод о присутствии нейтрино и зарегистрировать его.
Обсерватория нейтрино Садбери
Обсерватория нейтрино Садбери (SNO) — подземная обсерватория в Садбери, Канада, где в конце 1990-х и начале 2000-х годов также велись исследования колебаний нейтрино. Результаты экспериментов, проведенных в этой обсерватории, вместе с результатами, полученными в Супер-Камиоканде, позволили решить проблему солнечных нейтрино. SNO также является черенковским детектором на тяжелой воде и спроектирован по тому же принципу, что и Супер-Камиоканде. При взаимодействии с тяжелой водой нейтрино производят синее свечение Черенкова, сигнализируя исследователям и наблюдателям об их обнаружении.
Наблюдаемые данные
[[Файл:Спектр потока солнечных нейтрино.png|thumb|right|300px|Наибольшее количество солнечных нейтрино является прямым продуктом реакции протон-протон (высокая, темно-синяя кривая слева). Они обладают низкой энергией – до 400 кэВ. Существует несколько других значимых механизмов образования, с энергиями до 18 МэВ. Поток нейтрино, достигающий Земли, составляет около 7·10¹⁰ частиц·см⁻²·с⁻¹. Стандартная солнечная модель позволяет предсказывать количество нейтрино с высокой точностью, однако наблюдаемое количество нейтрино на Земле отличается от предсказанного примерно в три раза, что и составляет проблему солнечных нейтрино. Солнечные модели также предсказывают местоположение в ядре Солнца, где должны возникать солнечные нейтрино, в зависимости от реакции ядерного синтеза, приводящей к их образованию. Будущие детекторы нейтрино смогут определять направление прихода этих нейтрино с достаточной точностью для измерения этого эффекта. Теоретические кривые вероятности выживания солнечных нейтрино, достигающих Земли днём (оранжевая, сплошная) или ночью (фиолетовая, пунктирная), в зависимости от энергии нейтрино. Также показаны четыре значения энергии нейтрино, при которых проводились измерения, соответствующие четырем различным ветвям протон-протонного цикла. Энергетический спектр солнечных нейтрино также предсказывается солнечными моделями. Знание этого спектра необходимо, поскольку различные эксперименты по детектированию нейтрино чувствительны к разным диапазонам энергий. В эксперименте Homestake использовался хлор и он был наиболее чувствителен к солнечным нейтрино, образующимся при распаде изотопа бериллия ⁷Be. Нейтринная обсерватория Садбери наиболее чувствительна к солнечным нейтрино, производимым ⁸B. Детекторы на основе галлия наиболее чувствительны к солнечным нейтрино, образующимся в процессе цепной реакции протон-протон, однако они не смогли наблюдать этот вклад отдельно. Впервые наблюдение нейтрино, возникающих в результате основной реакции этой цепи – синтеза протона и протона в дейтерий – было осуществлено коллаборацией Borexino в 2014 году. В 2012 году та же коллаборация сообщила об обнаружении низкоэнергетических нейтрино, образующихся в реакции протон-электрон-протон (pep-реакция), которая производит 1 ядро дейтерия из 400 на Солнце. Детектор содержал 100 метрических тонн жидкости и регистрировал в среднем 3 события в день (в результате образования углерода) от этой относительно редкой термоядерной реакции. В 2014 году Borexino сообщила об успешном прямом обнаружении нейтрино из реакции pp со скоростью 144±33/день, что согласуется с предсказанной скоростью 131±2/день, основанной на прогнозе стандартной солнечной модели, согласно которой реакция pp генерирует 99% светимости Солнца, и их анализе эффективности детектора. В 2020 году Borexino сообщила о первом обнаружении нейтрино CNO-цикла из глубин солнечного ядра. Следует отметить, что Borexino измеряла нейтрино различных энергий; таким образом, они впервые экспериментально продемонстрировали картину колебаний солнечных нейтрино, предсказанную теорией. Нейтрино могут инициировать ядерные реакции. Исследуя древние руды разного возраста, подвергавшиеся воздействию солнечных нейтрино в течение геологического времени, возможно будет изучать светимость Солнца в прошлом, которая, согласно стандартной солнечной модели, изменялась на протяжении эонов по мере накопления (в настоящее время) инертного побочного продукта – гелия – в его ядре.
Ключевые астрофизики
Вольфганг Паули первым предложил идею существования частицы, подобной нейтрино, во Вселенной в 1930 году. Он полагал, что такая частица совершенно не имеет массы. Это было общепринятым мнением в астрофизическом сообществе до решения проблемы солнечных нейтрино. Фредерик Рейнес из Калифорнийского университета в Ирвине и Клайд Коуэн стали первыми астрофизиками, обнаружившими нейтрино в 1956 году. Они были удостоены Нобелевской премии по физике за свою работу в 1995 году. Раймонд Дэвис-младший получает Медаль науки из рук президента Джорджа Буша-младшего. Раймонд Дэвис и Джон Бакалл – пионеры в исследовании солнечных нейтрино. В то время как Бакалл так и не получил Нобелевскую премию, Дэвис вместе с Масатоси Кошибой были удостоены Нобелевской премии по физике в 2002 году после решения проблемы солнечных нейтрино за их вклад в её разрешение. Понтекорво, известный как первый астрофизик, предположивший, что нейтрино обладают некоторой массой и способны к осцилляциям, не получил Нобелевской премии за свои достижения из-за своей кончины в 1993 году. Артур Б. Макдональд, канадский физик, был ключевым участником в создании Обсерватории нейтрино Садбери (SNO) в середине 1980-х годов, а затем стал директором SNO и руководителем группы, решившей проблему солнечных нейтрино. Процессы при этих низких энергиях содержали важную информацию о химическом составе Солнца. Результаты этого исследования дали существенно отличающиеся данные по сравнению с предыдущими исследованиями в отношении общего спектра потоков. Поиск был завершен с использованием данных о воздействии, полученных во второй фазе эксперимента Borexino, которые охватывали период в 1291,5 дней (3,54 года). Результаты показали, что форма спектра отдачи электронов соответствовала ожидаемой, без каких-либо значительных изменений или отклонений.
thumb|Raymond Davis Jr receives the Medal of Science from President George W. Bush. Raymond Davis and John Bahcall are the pioneers of solar neutrino studies. While Bahcall never won a Nobel Prize, Davis along with Masatoshi Koshiba won the Nobel Prize in Physics in 2002 after the solar neutrino problem was solved for their contributions in helping solve the problem. Pontecorvo, known as the first astrophysicist to suggest the idea neutrinos have some mass and can oscillate, never received a Nobel Prize for his contributions due to his passing in 1993. Arthur B. McDonald, a Canadian physicist, was a key contributor in building the Sudbury Neutrino Observatory (SNO) in the mid 1980s and later became the director of the SNO and leader of the team that solved the solar neutrino problem. Processes at these low energies consisted vital information that told researchers about the solar metallicity. The results from this research yielded significantly different findings compared to past research in terms of the overall flux spectrum. The search was completed using data from exposure from the Borexino experiment's second phase which consisted of data over 1291.5 days (3.54 years). The results yielded that the electron recoil spectrum shape was as expected with no major changes or deviations from it.