Термоядерные реакции CNO-цикла на Солнце получили экспериментальное подтверждение.
Ученые коллаборации «Борексино» сумели зарегистрировать солнечные нейтрино, образующиеся в процессе так называемого CNO-цикла, что является первым экспериментальным подтверждением протекания термоядерных реакций этого типа в звёздах. Статья «Experimental evidence of neutrinos produced in the CNO fusion cycle in the Sun» опубликована в журнале «Nature» сегодня.
Источником энергии звёзд является термоядерный синтез – совокупность происходящих при больших температуре и давлении цепочках реакций превращения водорода в гелий. Это может происходить двумя способами. Первый способ, называемый протон-протонной цепочкой, начинается с прямого слияния двух ядер водорода в «тяжелый водород», из которого затем и образуется гелий. Во втором способе ядра более тяжелых элементов – углерода (C), азота (N) и кислорода (O) – превращаются друг в друга (отсюда и название), «расходуя» на это водород и производя гелий. Теоретически генерация энергии звезд в CNO-цикле была предсказана несколько десятилетий назад, но не была подтверждена экспериментально. Считается, что для лёгких звёзд, включая Солнце, основным является первый способ, тогда как для более массивных звёзд – второй. Однако эти способы не исключают друг друга, и реакции CNO-цикла должны происходить и внутри Солнца, пусть и со вкладом всего около 1%.
В процессах термоядерного синтеза генерируется электромагнитное излучение в виде гамма-квантов, а также рождаются особые частицы – нейтрино. Из-за специфических условий внутри Солнца гамма-кванты, рожденные в центре, постепенно отдавая энергию окружающему веществу, достигают поверхности Солнца в виде ультрафиолетового излучения и видимого света лишь через сотни тысяч лет. Нейтрино же очень слабо взаимодействуют с веществом, что позволяет им практически беспрепятственно покидать недра Солнца без потери энергии. Это свойство делает нейтрино идеальным источником информации о процессах внутри Солнца, причем почти в режиме реального времени – двигаясь почти со скоростью света они достигают Земли за 8 с половиной минут. Однако, настолько же «беспрепятственно» эти частицы проходят и через детектор, что сильно усложняет их регистрацию. Лишь очень малая доля нейтрино взаимодействует с веществом, вынуждая строить огромные детекторы, защищая их от любого возможного радиоактивного фона и проводя измерения в течение многих лет.
Таким детектором является Борексино с мишенью для нейтрино, состоящей из 280 тонн жидкого сцинтиллятора и окруженной несколькими слоями защиты от окружающей естественной радиоактивности. Детектор расположен в подземной лаборатории внутри горного массива Гран-Сассо в Италии, что дает защиту от космических лучей. При рассеянии нейтрино на электронах сцинтиллятора возникает слабая вспышка света, которую улавливают около 2200 фотоумножителей. Из триллионов проходящих через детектор нейтрино получается зарегистрировать около ста событий в день. Чтобы из всех собранных за годы работы детектора событий выделить взаимодействия нейтрино от исследуемых реакций на Солнце, требуется использовать теоретические модели и тщательно вычислять вклады фоновых процессов.
Ранее детектор Борексино уже регистрировал нейтрино от реакций протон-протонной цепочки, о чем также выходила статья в «Nature». Текущее же достижение заключается в первом достоверном экспериментальном свидетельстве реакций CNO-цикла в Солнце. Ученым удалось вычислить поток достигающих Земли нейтрино CNO-цикла. По их оценкам, через каждый квадратный сантиметр поверхности проходит около 700 миллионов таких нейтрино в секунду, что составляет примерно одну сотую от общего потока нейтрино от Солнца и находится в очень хорошем соответствии с теоретическими оценками вклада CNO-цикла в производимую Солнцем энергию. Будущие исследования позволят лучше понимать происходящие в звёздах процессы, в частности, уточнить элементный состав Солнца. И нейтрино будут в этом нашими помощниками.
В международной коллаборации «Борексино» проводят исследования более 100 ученых из разных стран, в том числе российские ученые из НИИЯФ имени Д.В. Скобельцына МГУ имени М.В. Ломоносова, НИЦ «Курчатовский институт», Объединённого института ядерных исследований.
Напомним, что этой работе предшествовали еще две публикации в Nature этой коллаборации:
1) Comprehensive measurement of pp-chain solar neutrinos (DOI:10.1038/s41586-018-0624-y);
2) Neutrinos from the primary proton–proton fusion process in the Sun (DOI:10.1038/nature13702).
Поздравляем коллег из нашего Института с этим событием!