Улов на слънчеви неутрино историческа ретроспектива • Алексей Левин • Научни новини в „Елементи

Борексино неутрино детектор. В центъра е сферичен найлонов контейнер с ултрачист органичен фосфор. По-близо до краищата на изображението се вижда сфера от неръждаема стомана, върху която са закрепени фотоумножителните тръби. Снимка от news.sciencemag.org

Призрачна частица

Търсене на слънчеви неутрино

Експеримент за търсене на слънчеви неутрино беше предложен в САЩ през 1964 г. и започна три години по-късно. Оглавяваше го Реймънд Дейвис, с когото работи астрофизикът Джон Н. Бакол. Методът на Кован и Рейнс не беше подходящ за целите им, те трябваше да намерят друг начин.

Каква беше основната трудност? Слънцето генерира енергията си чрез термоядрени реакции, по време на които водородът се превръща в основния изотоп на хелия, хелий-4. Някои от тези реакции са придружени от производството на неутрино, които преминават през слънчевата материя и се разпръскват в космоса. Всяка секунда 2 · 10 38 неутрино напускат повърхността на Слънцето в космоса и три десет милиардни дяла от този поток падат върху нашата планета. Това дава около 60 милиарда в секунда на квадратен сантиметър от земната повърхност. Почти всички слънчеви неутрино обаче се раждат в самото начало на термоядрен цикъл, по време на сливането на два протона (стр-цикъл), което води до производството на ядро от деутерий, позитрон и електронно неутрино. Енергията на тези неутрино се намира в диапазона от нула до 0,42 MeV. През 60-те години експериментаторите не са имали способността да откриват неутрино с толкова ниска енергия.

Дейвис и Бакол са използвали ядрена реакция, която Бруно Понтекорво смята за средство за откриване на неутрино през 1946 г., а Луис Алварес три години по-късно. Състои се в това, че ядрото на хлор-37 абсорбира неутрино и излъчва електрон, превръщайки се в ядрото на аргон-37. Този изотоп е нестабилен и в крайна сметка се превръща обратно в хлор, но ядрата му живеят средно повече от месец. През това време те могат да бъдат изолирани чрез химически методи и получената информация може да се използва за оценка на плътността на неутринния поток. Вярно е, че тази реакция възниква само ако енергията на неутрино надвишава 0,86 MeV, така че слънчевите неврино от първо поколение не могат да бъдат открити с негова помощ. Слънчеви реакции обаче стр-циклите вървят по три различни начина, които обикновено се означават като стрАз, стрII и стрIII (фиг. 2). На последния етап от цикъла стрIII се появяват позитрон, неутрино и ядро от берилий-8, което веднага се разпада на две хелиеви ядра. Енергията на тези неутрино достига 14 MeV и това е повече от достатъчно за превръщането на хлора в аргон. Въпреки това, делът на тези високоенергийни частици в общия поток на слънчевите неутрино е само една стотна от процента, което естествено усложнява тяхното откриване.

Фигура: 2. Протон-протонният цикъл на трансформация на водорода в хелий в недрата на звездите от главната последователност. Показани са трите основни клона на цикъла. Схема от сайта ru.wikipedia.org

Играта обаче си заслужаваше свещта. Заключенията на групата Дейвис бяха не само неочаквани, но, честно казано, сензационни. Измерената плътност на неутринния поток се оказва поне половината от стойността, която следва от общоприетия модел на интрасоларните процеси. С течение на времето неутринните обсерватории в Италия, СССР и Япония не само потвърдиха липсата на слънчеви неутрино, но с различна степен на убедителност показаха, че тяхната плътност на потока не е дори наполовина, а около три пъти по-малка от изчислената.

Разкритото противоречие между теорията и експеримента се опита да се тълкува по различни начини. Обяснението, което в крайна сметка триумфира, се основава на хипотеза, изложена през 1969 г. от Понтекорво и Владимир Грибов. Когато групата на Коуън и Рейнс завършва експеримента си, физиците вярват, че всички неутрино са еднакви. В края на 50-те години обаче теоретиците от СССР, САЩ и Япония предполагат, че неутрините, съпътстващи производството на мюони, са различни от тези, които придружават електроните и позитроните. Така възниква хипотезата за ново, мюонно неутрино (естествено, антиневтрино). През 1961–62 г. е потвърдено в Националната лаборатория Брукхейвън, а през 1988 г. Леон Ледерман, Мелвин Шварц и Джак Щайнбергер получават Нобелова награда за това. Така че в края на 60-те години физиците вече са знаели, че неутрино не съществуват в една ипостас, а поне в две. Във вътрешността на Слънцето се раждат само електронни неутрино. Понтекорво и Грибов предполагат, че по пътя към Земята част от слънчевите неутрино се превръщат в неутрино от мюонния тип. Въпросните детектори не ги регистрираха (или почти не ги регистрираха), поради което резултатите се оказаха подценени.

След като тази хипотеза беше изложена, стана ясно, че освен мюонното неутрино има и тау неутрино. Съществуването на три различни неутрино обяснява точно защо измерената плътност на високоенергийните слънчеви неутрино се оказа около три пъти по-малка от очакваната.

Взаимните трансформации на неутрино се наричат неутрино трептения. Те са възможни само ако неутрино имат ненулева маса. Това заключение по едно време изуми физиците, тъй като се смяташе, че неутрино са безмасови частици и следователно, подобно на фотоните, винаги се движат със скоростта на светлината. Така дългогодишният експеримент на Дейвис не само откри слънчевите неутрино и по този начин потвърди теорията за вътрешно слънчевото термоядрено горене, но и доведе до фундаментално откритие в областта на физиката на елементарните частици.