Солнечное нейтрино или как выглядит Солнце c темной стороны Земли

Я открыл новую частицу, которую, невозможно обнаружить в природе», – именно так в 1930-м году сказал известный физик Вольфганг Паули, когда он впервые выдвинул идею о существовании новой элементарной частицы «нейтрино». У этой частицы, в отличие от протона или электрона, нет заряда и почти нет массы. Она беспрепятственно проходит через любое вещество.

Прошло всего 12 лет и впервые была выдвинута идея о возможности наблюдения нейтрино. А потом ещё 14 лет до первого наблюдения! На радостях, Паули отправил бутылку шампанского первым «наблюдателям», учёным Коуэну и Рейенсу.

Что же такое нейтрино и какое отношение эта частица имеет к Солнцу? Меня несколько раз спрашивали о нейтрино, так что я решила выделить эту тему в отдельный пост.

Дело в том, что Солнце это звезда, а значит, вся энергия там выделяется в результате термоядерного синтеза. В главной реакции протон-протонного цикла четыре протона превращаются в атом гелия (2 протона, 2 нейтрона). При каждом превращении протона в нейтрон выделятся частица нейтрино, которая уносит с собой избыток энергии, выделяющейся в реакции. Соответственно в результате каждой цепочки образуются по два нейтрино.

Pp цепь: 4 протона –> Гелий + 2 позитрона + 2 Нейтрино

Количество нейтрино, испускаемое солнцем ежесекундно равно примерно 10^(38) частиц. То есть примерно 70 миллиардов этих частиц проходят через каждый квадратный сантиметр на Земле.

Чувствуете, как прямо сейчас вас пронзают миллиарды нейтрино?

Конечно, нет. Потому что, как вы уже верно догадались, основная особенность нейтрино это его способность беспрепятственно проходить через любое вещество, включая Солнце. Из сотни миллиардов нейтрино, которые проходят сквозь Землю лишь одно взаимодействует с Землей.

Откуда же тогда мы знаем, что именно термоядерные реакции являются источником солнечной энергии?

Конечно, можно посчитать солнечную светимость по количеству фотонов, доходящих до Земли, как, например, это сделал Эддингтон, однако она даст нам представление только о видимом диапазоне. А как же насчет рентгена и УФ? Или энергии солнца не в виде фотонов?

Чтобы проверить, действительно ли превращение водорода в гелий на Солнце является источником солнечной энергии, в 1964 году экспериментатор Дэвис и астрофизик Бакалл предложили эксперимент по поиску солнечного нейтрино. В качестве модели Солнца использовалась Стандартная Солнечная Модель Бакалла, описывающая, как происходит ядерный синтез в солнечном ядре.

Стандартная Солнечная Модель (ССМ) опирается на следующие три предположения:

1. Вся энергия солнца выделяется в результате горения водорода в центре Солнца. Водород не смешивается с верхними слоями Солнца, а скорость горения определяется плотностью, температурой и химическим составом вещества.

2. Давление газа внутри Солнца уравновешивается гравитационным давлением верхних слоев. (Если бы этого равновесия не было, то Солнце бы взорвалось или схлопнулось.)

3. В верхние слои энергия из центра Солнца переносится с помощью переизлучения (лучистого переноса) и конвекции.

С помощью ССМ и суперкомпьютеров Бакалл теоретически рассчитал количество солнечных нейтрино, испускаемых Солнцем (см. картинку ниже). Согласно этим расчётам, большая часть наблюдаемого нейтрино выделяется в ходе вышеупомянутой протон-протонной реакции (p-p). Энергия такого нейтрино небольшая – 0.42 МэВ. Кроме p-p цикла, нейтрино выделяется в ходе реакций с участием бериллия (Be) и бора (B). Их энергия намного выше (см. спектр ниже), но таких нейтрино меньше.

Рассчитанный с помощью Стандартной Солнечной Модели спектр солнечных нейтрино (Бакалл, Серенелли и Басу, 2005, Астрофизический Журнал). Сверху показаны пороги регистрации нейтрино различными методами, а также пороги регистрации для существующих нейтринных детекторов

Заметьте, что ССМ не использует светимость Солнца, то есть количество фотонов, которое падает на поверхность Земли за единицу времени на единицу площади, в своих вычислениях, а полагается только на теорию.

Но вернемся к эксперименту Дэвиса.

Чтобы проверить, верна ли теория о строении Солнца, Бакалл и Дэвис построили первый нейтринный телескоп. Выглядел он весьма необычно – гигантский бассейн, заполненный 378 тысячами литров чистящей жидкости (хлором). Находился он в старой золотодобывающей шахте в Дакоте, на глубине . (Глубина большая, чтобы защитить телескоп от шума, например от космических лучей.) Согласно расчётам Бакалла, этот хлор должен был взаимодействовать с нейтрино, образуя несколько атомов аргона в месяц.

Надежды оправдались. Хорошая новость заключается в том, что в 1968 году были обнаружены первые солнечные нейтрино. А плохая новость – в том, что нейтрино оказалось в три раза меньше, чем ожидалось.

Было предложено три причины, почему нейтрино так мало:

1. Неверная теория. Тут есть две альтернативы. Либо количество нейтрино, производимых Солнцем, оценено неверно и модель Солнца надо менять, либо хлор как-то иначе взаимодействует с нейтрино.

2. Неверность хлорного эксперимента.

3. Самым маловероятным объяснением была вероятность иного поведения нейтрино при путешествии от Солнца к Земле, т.е. неверность Стандартной Модели физики элементарных частиц.

Чтобы исключить все возможности ошибок, сначала была проверена теория. Несколько раз была пересмотрена модель Солнца и вычисления с хлором. Ошибок там не было. Также не было найдено ошибок в эксперименте. Тогда в 1969 году Бруно Понтекорво и Владимир Грибов из СССР выдвинули новую гипотезу, основывающуюся на третьем варианте, а именно, что нейтрино ведут себя иначе, чем думали раньше.

Поиски продолжились.

Через двадцать лет, в 1989 году, японцы запустили новый нейтринный телескоп Камиоканде. Увы, и там нейтрино наблюдалось слишком мало. Были построено ещё два нейтринных телескопа: немецкий GALLEX и советский SAGE. Последние два эксперимента использовали галлий в качестве основного вещества и были чувствительны к нейтрино с меньшими энергиями. Увы, результат оказался похожим. Наконец японцы совместно с американцами построили ещё больший телескоп Супер-Камиоканде. Все эксперименты подтвердили верность первого результата Дэвис и Бахкалла, указывая на то, что что-то происходит с нейтрино по дороге от Солнца к Земле.

Наконец, 18 июня 2001 года группа канадских, американских и английских учёных сделала долгожданное заявление: они решили проблему солнечного нейтрино. Их результаты основывались на данных с нового телескопа, состоящего из гигантского шарообразного контейнера с тяжёлой водой на дне никелевой шахты в Садбери, в Канаде. Этот телескоп так и назывался Солнечная Нейтринная Обсерватория.

В результате эксперимента в Садбери выяснилось, что количество электронного нейтрино совпадает с оценками нейтрино в предыдущих экспериментах. Однако кроме этого сорта нейтрино, есть ещё два других, мюонные и тау-нейтрино, к которым предыдущие эксперименты были нечувствительны.

Это означало, что Стандартная Модель физики элементарных частиц требует пересмотрения. Что, во-первых, нейтрино имеет массу, что нейтрино бывает трёх сортов, и что электронное нейтрино, испускаемое Солнцем может менять свой сорт.

То есть, нейтрино испускаемое Солнцем никуда не исчезает. Просто оно испытывает кризис самоидентификации, время от времени, меняя свой сорт, например при прохождении сквозь Солнце.

Почему же разгадка проблемы солнечного нейтрино заняла 35 лет?

Известный физик-теоретик Сидней Дрелл так ответил на этот вопрос:

«Стандартная Модель физики элементарных частиц – красивая модель, в верности которой мы много раз убеждались в ходе тысяч лабораторных экспериментов. В то же самое время, Стандартная Солнечная Модель (как и любая астрофизическая модель) основывается на довольно сложной физике и включает в себя предположения, которые подтверждены малым количеством экспериментов. Более того, предсказания солнечной модели очень чувствительны к некоторым параметрам, например, к температуре в центре Солнца. Неудивительно, что учёным понадобилось так много времени, чтобы отказаться именно от Стандартной Модели физики элементарных частиц, а не от Модели Солнца».

В заключение, этого научного хеппиэнда долгожданная фотография, точнее «нейтринография» самого центра Солнца. Получена она была японской нейтринной обсерваторией Супер-Камиоканде, построенной внутри заброшенной шахты.

Центр Солнца в лучах нейтрино

Разумеется на этом хеппиэнде вся солнечная физика не заканчивается. Сейчас мы можем с уверенностью сказать, что мы хорошо понимаем процессы в моторе солнца, однако до успешного решения более мелких задач нам понадобятся десятки, если не сотни лет.

Мария Казаченко, Ph.D. в области физики, научный сотрудник в Лаборатории космических наук, Калифорнийский университет в Беркли.