Наша светлость: найден еще один источник энергии в звездах
Ученые доказали существование еще одного источника энергии Солнца. Специалисты получили первое экспериментальное подтверждение того, что на звезде протекают термоядерные реакции так называемого CNO-цикла. Исследователям удалось зарегистрировать солнечные нейтрино, которые образуются в ходе именно этого процесса. Успешный эксперимент провели ученые международной коллаборации «Борексино», в которую входят исследователи из России, и в частности НИЦ «Курчатовский институт».
Солнечная тайна
Источник энергии звезд — термоядерный синтез — совокупность происходящих при больших температуре и давлении цепочках реакций превращения водорода в гелий.
— Это может происходить двумя способами: за счет протон-протонной цепочки слияния ядер водорода, а также реакций CNO-цикла, — пояснил «Известиям» руководитель отделения физики нейтрино НИЦ «Курчатовский институт» Михаил Скорохватов. — Назван второй процесс по аббревиатуре трех элементов, ядра которых превращаются в ходе реакции один в другой: углерода (C), азота (N) и кислорода (O).
За теорию, описывающую второй тип генерации энергии в звездах, в 1967 году была вручена Нобелевская премия по физике. Теперь ученые в Borexinо подтвердили это экспериментально. Оказалось, что оба типа не исключают друг друга, и реакции CNO-цикла происходят внутри Солнца, пусть их вклад и составляет всего 1% от общего объема получаемой энергии.
Поймать нужные нейтрино
Чтобы экспериментально доказать, каким образом происходит генерация энергии в звездах, ученые регистрируют нейтрино — особые частицы, рождающиеся в процессах термоядерного синтеза. Проблема в том, что они очень слабо взаимодействуют с веществом, поэтому почти беспрепятственно покидают недра Солнца и, двигаясь с околосветовой скоростью, достигают поверхности Земли за восемь с половиной минут. Такое свойство делает нейтрино идеальным источником информации о процессах внутри звезд, причем почти в режиме реального времени.
— В рамках протон-протонной цепочки образуются нейтрино с разными энергиями, — пояснил начальник лаборатории физики нейтрино НИЦ «Курчатовский институт» Евгений Литвинович. — Но в среднем энергия нейтрино, рожденных в реакциях протон-протонной цепочки, немного ниже, чем у нейтрино, получающихся в процессе CNO-цикла.
Способность проходить сквозь материю, почти не вступая с ней во взаимодействие, очень сильно усложняет регистрацию нейтрино. Чтобы «напасть на след» нейтрино, ученые использовали мощный детектор «Борексино». Он регистрирует все нейтрино, но разница в энергиях позволяет засечь нужные частицы.
— Детектор оснащен мишенью для нейтрино, состоящей из 280 тонн органической жидкости, — рассказал Евгений Литвинович. — Если внутри нее произошло взаимодействие нейтрино с электронами, это приведет к выделению небольшого количества фотонов. С помощью фотоэлектронных умножителей мы можем увидеть это явление.
Детектор снабжен несколькими слоями защиты от окружающей естественной радиоактивности. Это явление незаметно для человека, но оно создает фон, «зашумляющий» регистрацию нужных нейтрино.
— Нейтрино, появившиеся в процессе CNO-цикла, особенно сложно зарегистрировать, так как они имеют малую энергию, — добавил старший научный сотрудник НИИЯФ имени Д.В. Скобельцына МГУ имени М.В. Ломоносова Александр Чепурнов. — В течение более чем 15 лет мы собирали данные, «очищали» детектор от фоновых событий, снова набирали данные, и так много раз. Сейчас детектор представляет собой самое низкофоновое место на всей планете, благодаря чему и удалось осуществить нужные измерения.
Вычислить неуловимых
С помощью уникального оборудования ученые собрали необходимые данные.
— Из секстиллионов (10 в 21-й степени. — «Известия») проходящих через детектор солнечных нейтрино удавалось зарегистрировать только около 100 всех типов нейтрино в день, — сообщил заведующий отделом ядерных детекторов НИЦ «Курчатовский институт» ПИЯФ Александр Дербин. — Наша задача заключалась в том, чтобы выделить сигналы именно от CNO-нейтрино. Точнее, зарегистрировать электроны, которые испытали взаимодействие с этими частицами.
В результате участникам коллаборации «Борексино» впервые удалось экспериментально зарегистрировать солнечные нейтрино, возникающие в реакциях CNO-цикла, и вычислить их поток, достигающий Земли. По экспериментальным данным, через каждый квадратный сантиметр поверхности проходит около 700 млн таких нейтрино в секунду, что составляет примерно одну сотую общего потока нейтрино от Солнца. Это как раз соответствует теоретическим оценкам вклада CNO-цикла в производимую Солнцем энергию.
— Будущие исследования позволят лучше понимать происходящие в звездах процессы, в частности, уточнить элементный состав Солнца. И нейтрино будут в этом нашими помощниками, — сообщил Михаил Скорохватов.
В международной коллаборации «Борексино» проводят исследования более 100 ученых из разных стран, в том числе российские специалисты из НИЦ «Курчатовский институт», ОИЯИ, НИИЯФ имени Д.В. Скобельцына МГУ.
Детектор «Борексино» был создан для изучения солнечных нейтрино. Он расположен в Национальной лаборатории Гран-Сассо (Laboratori Nazionali del Gran Sasso) в районе города Л'Аквила (Италия). Детектор находится в тоннеле под горным массивом, толщина скальных пород над лабораторией достигает 1,4 тыс. метров.
Коллаборация «Борексино» объединяет группы ученых из Италии, Германии, США, Франции, России и Польши. Российские ученые вносят существенный вклад в развитие проекта — это разработка, изготовление и установка электроники для сбора данных и мониторинга детектора, алгоритмов моделирования и анализа данных. В составе «Борексино» функционирует разработанный российскими учеными электронно-измерительный комплекс на базе быстрых оцифровщиков формы импульса.
