Лекции
Кино
TED BBC
Эксперимент Борексино: как измерить свет Солнца
Физик Евгений Литвинович о чистых детекторах, определении сезона года по потоку нейтрино и результатах эксперимента Борексино
Читать
12:19
0 2870

Эксперимент Борексино: как измерить свет Солнца

— ПостНаука на Дожде
Физик Евгений Литвинович о чистых детекторах, определении сезона года по потоку нейтрино и результатах эксперимента Борексино

Что такое сцинтиллятор? Сцинтиллятор — это вещество, которое испускает свет, когда через него проходят заряженные частицы. То есть заряженная частица попадает в сцинтиллятор, она возбуждает атомы и молекулы этого сцинтиллятора, которые потом, возвращаясь на основной уровень, испускают фотоны света. Этот свет регистрируется фотоэлектронными умножителями. Жидкие сцинтилляторы обладают своими недостатками и своими преимуществами. Один из недостатков связан с тем, что, поскольку свет испускается изотропно, то есть во все стороны, мы уже не можем восстановить направление на Солнце, как это сделал Super-Kamiokande.

«Больше лекций и видеороликов смотрите на сайте проекта «ПостНаука»

Но те преимущества, которыми обладают сцинтилляторы, покрывают этот недостаток. Дело в том, что мы регистрируем нейтрино по рассеянию на электронах. Эта реакция не имеет порога. То есть мы можем регистрировать нейтрино самых низких энергий. По этой реакции взаимодействуют нейтрино всех типов — как электронное, так мюонное и тау. Больше того, жидкие сцинтилляторы обладают высоким световыходом. То есть на один МэВ выделившейся в детектор энергии у нас рождается примерно 10 тысяч фотонов. Это очень много, и нам хватит этого света, чтобы зарегистрировать самые низкоэнергетические нейтрино.

Есть недостаток у сцинтилляционных детекторов, который заключается вот в чем. Везде — в воздухе, в любом веществе — в какую-то единицу времени происходит какое-то количество радиоактивных распадов. Это радиационный фон, который в пределах нормы, конечно. Но тем не менее какое-то количество распадов случается. Конечно же, во всех веществах, в том числе и этих сцинтилляторах, а также в тех конструкционных материалах, из которых мы будем делать наш детектор, тоже будет происходить какое-то количество распадов. А мы знаем, что у нас могут происходить бета-распады ядер. Что такое бета-распад? В результате бета-распада образуется электрон. И тогда возникает вопрос: как мы сможем отличить электрон, который образовался просто в результате радиоактивного распада, от того электрона, который образовался в результате рассеяния нейтрино на нем? Никак.

То есть получается, что нам нужно создать сверхчистый детектор. Нам нужно создать сверхчистый сцинтиллятор, использовать сверхчистые конструкционные материалы, создать специальные фотоумножители из низкорадиоактивного стекла, чтобы сделать такой уровень радиационного фона внутри этого детектора, который будет в сто миллиардов раз меньше, чем тот, который сейчас у нас здесь. И это удалось сделать Борексино. Он сумел зарегистрировать нейтрино от четырех из пяти реакций протон-протонной цепочки на Солнце. Это, конечно, большое достижение.

В чем уникальность регистрации нейтрино от конкретных родительских реакций на Солнце? Прежде всего, в тех следствиях, которые у нас получает теория нейтринных осцилляций. Дело в том, что вероятность выживания электронного нейтрино на определенном расстоянии от Солнца зависит от энергии. А поскольку нейтрино от разных реакций на Солнце обладают различными энергиями и разными энергетическими спектрами, то получается, что мы можем получить экспериментальную кривую вероятности выживания нейтрино как функцию их энергии.

Почему это важно? Дело в том, что есть разные теоретические модели, которые предсказывают, например, существование нестандартных взаимодействий нейтрино. Есть даже модели темной энергии, предсказывающие нейтрино с переменной массой, которая будет ответственна за ускоренное расширение Вселенной. Так вот кривая вероятности выживания в том случае, если существуют, например, нестандартные взаимодействия, в определенной области энергий пойдет по-другому. Не так, как в том случае, если бы этих взаимодействий не было. То есть получается, что, измеряя вероятность выживания в определенной области энергии, мы получаем возможность подтверждения или опровержения каких-то теоретических моделей. Это очень интересно. И это именно то, чем занимался Борексино и продолжает заниматься. Измерив потоки нейтрино от четырех из пяти родительских реакций протон-протонной цепочки на Солнце, мы смогли прорисовать поведение кривой вероятности выживания. И пока в пределах ошибок измерения мы не можем отбросить те или иные теоретические модели. Но тем не менее некоторые указания они уже получают.

Другой интересный результат, который получил Борексино, связан с тем, что детектор сумел измерить поток так называемых pp-нейтрино от Солнца. Это самые многочисленные нейтрино, и они имеют самые низкие энергии: у них энергии не больше чем 0,4 МэВ.

Проблема состоит вот в чем. Дело в том, что, поскольку мы работаем с жидким органическим сцинтиллятором, это органика, там есть углерод. А раз там есть углерод, значит, есть и его изотоп углерод-14, а у него период полураспада 5 тысяч лет. И он распадается посредством того самого бета-распада с образованием электрона. И энергетический спектр этих электронов как раз лежит в области спектра электронов отдачи от рассеяния от pp-нейтрино. Это очень мощный источник фона. Нам нужно суметь выделить сигнал pp-нейтрино из этого источника фона. И для того, чтобы это сделать, потребовалось, во-первых, создать сверхчистый сцинтиллятор в Борексино, а во-вторых, разработать новые методы анализа данных, чтобы суметь выделить этот сигнал. Это потрясающий результат. Он, кстати, вошел в топ-10 результатов по физике за 2014 год.

Измерив поток pp-нейтрино от Солнца, Борексино сумел определить светимость Солнца по потоку нейтрино — не по фотонам, а по нейтрино. Другой очень интересный результат, который был получен в Борексино в отношении солнечных нейтрино, связан с измерением потока так называемых бериллиевых нейтрино от Солнца. Это нейтрино, которые образуются в результате захвата ядром бериллия электрона из солнечной плазмы. Это одни из пяти тех самых нейтрино, которые образуются в пределах протон-протонной цепочки. У них энергии меньше МэВ — всего 800 кэВ. И Борексино сумел измерить их поток.

Но что еще более интересно, так это то, что он сумел измерить годовую вариацию потока бериллиевых нейтрино, которая связана с тем, что у нас Земля движется по эллиптической орбите вокруг Солнца. Зимой Земля ближе всего к Солнцу, летом дальше. Это значит, что в зимние периоды у нас поток нейтрино от Солнца должен быть чуть больше, чем в летние. Летом он будет чуть меньше. И эта вариация очень мала — всего 7% от пика до пика. Борексино сумел ее измерить. Мы, измеряя поток нейтрино от Солнца, можем сказать, когда у нас начался новый год, прошел новый год.

Но самые недавние результаты, которые были обнародованы Борексино практически минувшим летом, очень интересны. Мы говорили о том, что существуют разные солнечные модели, в которые закладывались различные значения концентрации тяжелых элементов на Солнце. И все эти модели являются научно обоснованными. Потому что не очень понятно, какова концентрация тяжелых элементов — высокая или низкая. И потоки нейтрино от определенных реакций зависят от концентрации тяжелых элементов на Солнце. Самые последние результаты, которые Борексино получил, говорят, что есть указания в пользу моделей с высокой концентрацией тяжелых элементов на Солнце — указания на уровне статистической достоверности 3 сигма.

Есть еще одна очень интересная задача, которая остается пока нерешенной. Это экспериментальная задача. Речь идет о детектировании CNO-нейтрино. Это нейтрино, которые образуются в бета-плюс распадах ядер в рамках CNO-цикла. Дело в том, что существование CNO-цикла в конце 1930-х годов было предсказано, но экспериментальное подтверждение так и не было получено. Причем мы знаем, что именно CNO-цикл должен быть определяющим в более горячих и более массивных звездах, чем Солнце. Считается, что на Солнце меньше чем в 1% случаев может протекать CNO-цикл. И регистрация нейтрино от CNO-цикла была бы сенсацией. Это было бы прямым доказательством протекания CNO-цикла в звездах.

Пока этого, к сожалению, сделать не удается. Это очень сложная экспериментальная проблема. Здесь дело в том, что там есть один практически неустранимый источник фона. По крайней мере, его очень сложно взять под контроль. Но, возможно, это будущее экспериментальной физики нейтрино от Солнца. Самое интересное в том, что если бы нам удалось измерить поток CNO-нейтрино от Солнца, то мы бы на раз-два разрешили проблему металличности, потому что именно CNO-нейтрино самым серьезным образом зависят от концентрации тяжелых элементов на Солнце.

Фото: @cristina_gottardi / Uplash

Читать
Комментарии (0)
Другие выпуски
Популярное
«Центр "Э" приходит на наши концерты, что-то снимает»: живой концерт одной из самых популярных панк-групп России «Порнофильмы»