Солнечные нейтрино

Солнечные нейтрино возникают при ядерном синтезе в недрах Солнца. Они — несравненно самые многочисленные нейтрино, которые до нас доходят, — и единственный вестник, который приходит к нам прямо из ядра Солнца.

Около 65 миллиардов из них каждую секунду пересекают квадратный сантиметр вашей кожи.

Почему они единственный прямой взгляд

Свет Солнца происходит с его поверхности. Энергия, которую он несёт, была порождена в ядре — но на путь наружу ей потребовались десятки тысяч лет, потому что она бесчисленное множество раз поглощалась и вновь испускалась.

То, что мы видим на небе, — это, стало быть, очень старое сообщение. О сегодняшнем состоянии ядра оно не говорит ничего.

Нейтрино покидают ядро беспрепятственно и оказываются здесь через добрых восемь минут. Тот, кто их считает, наблюдает за горением Солнца в это самое мгновение.

Два пути синтеза

Ганс Бете описал в 1939 году два пути, по которым звёзды сплавляют водород в гелий.

Протон-протонная цепочка даёт у Солнца около 99 процентов энергии. Четыре протона через несколько промежуточных шагов становятся ядром гелия; при этом возникают позитроны и нейтрино.

CNO-цикл вносит у Солнца около одного процента. Углерод, азот и кислород действуют как катализаторы, которые сами не расходуются. У более тяжёлых звёзд этот путь преобладает.

Спектр из многих источников

У цепочки есть несколько ответвлений, и каждое даёт нейтрино с собственной энергией и собственной частотой:

Это распределение — ключ к истории проблемы солнечных нейтрино. Ведь каждый детектор видит лишь часть из него.

Опыт Homestake со своим порогом в 814 кэВ улавливал только редкие нейтрино от бора-8 — менее одной сотой промилле всех солнечных нейтрино. GALLEX и SAGE с галлием опустились до 233 кэВ и впервые увидели главную реакцию.

Почему зависимость от энергии решила всё

Именно эта ступенчатость сделала возможным решающий результат.

Homestake нашёл около трети ожидаемой скорости счёта. Галлиевые эксперименты нашли около 60 процентов. Это не противоречие, а закономерность: дефицит зависит от энергии.

Ошибка в модели Солнца едва ли подействовала бы так. А вот превращение по дороге — да, и именно в той форме, как объясняет эффект MSW.

Полное измерение

Две установки в конце концов замкнули картину.

Sudbury Neutrino Observatory показала в 2002 году, что сумма всех трёх видов нейтрино в точности соответствует предсказанию Джона Бакалла.

Borexino затем измерил отдельные источники один за другим: бериллий-7 в 2007 году, pep в 2012, pp-нейтрино в 2014 и наконец в 2020 году CNO-цикл — тот путь, который Бете описал восемьюдесятью годами ранее и которого до тех пор никто не видел.

Тем самым Солнце сегодня — наиболее точно измеренная звезда, причём изнутри.

Что из этого узнают о Солнце

Скорости счёта нейтрино чувствительно зависят от температуры ядра — у бора-8 примерно в восемнадцатой степени. Поэтому измерение скорости счёта — очень точный термометр для недр Солнца.

Из отношения CNO-нейтрино к pp-нейтрино можно к тому же заключить о содержании более тяжёлых элементов в ядре Солнца — вопрос, который в астрофизике уже годы остаётся открытым, потому что разные методы дают разные значения.

Смежные понятия

• Проблема солнечных нейтрино — загадка
• Эффект MSW — объяснение
• Borexino — самое точное измерение
• Ганс Бете и Джон Бакалл

Источники

• J. N. Bahcall, A. M. Serenelli, S. Basu: New Solar Opacities, Abundances, Helioseismology, and Neutrino Fluxes, The Astrophysical Journal 621, L85 (2005).
• Коллаборация Borexino: Experimental evidence of neutrinos produced in the CNO fusion cycle in the Sun, Nature 587, 577 (2020).