Ученые международной коллаборации Борексино представили результаты наиболее полного на сегодняшний день анализа потоков нейтрино, сопровождающих термоядерные процессы внутри Солнца. Результаты опубликованы в престижном журнале Nature 24 октября 2018 г.
Детектор Борексино — сверхчувствительный инструмент, созданный для изучения солнечных нейтрино. Детектор регистрирует нейтрино от Солнца в реакции рассеяния на электронах в жидком органическом сцинтилляторе общей массой 300 т. Ключевым фактором успеха проекта Борексино является отсутствие радиоактивных примесей в жидком сцинтилляторе. Использование специально разработанных методик очистки позволило довести содержание радиоактивных элементов в центральной части детектора до уровня в 1010 раз меньше, чем их типичное содержание в обычных материалах.
В новой публикации представлены результаты самого точного и полного на сегодняшний день спектрального анализа данных, накопленных за время работы детектора. Олег Смирнов, старший научный сотрудник ЛЯП ОИЯИ, поясняет, что ранее проводился анализ в ограниченных энергетических интервалах для каждого из нейтринных потоков. В результате кропотливой работы по калибровке энергетической шкалы удалось расширить энергетический интервал в анализе и включить нейтринные спектры от трех разных солнечных реакций. В итоге точность измерения потока «бериллиевых» нейтрино от Солнца составила рекордные 2.7%, что в два раза лучше, чем существующие теоретические предсказания. Сигнал от реакции “рер” на Солнце впервые зарегистрирован на уровне достоверности 5σ, что говорит о надежном подтверждении протекания данной реакции внутри Солнца. Нейтрино из реакции на боре-8 (“борные” нейтрино) измерены при низком энергетическом пороге 3.2 МэВ, недоступном другим нейтринным детекторам. Высокая точность измерений потока рр-нейтрино позволила впервые экспериментально уточнить детали термоядерных процессов внутри Солнца.
Сравнение зарегистрированных нейтринных сигналов в детекторе с предсказаниями стандартной модели Солнца однозначно указывает на существование переходной зоны в области низких энергий между двумя режимами нейтринных осцилляций согласно механизму Михеева-Смирнова-Вольфенштейна. Таким образом, результаты Борексино независимо, без привлечения данных других экспериментов, подтверждают наличие перехода между “ваккуумным” режимом осцилляций нейтрино и осцилляциями в веществе.
Не менее важно изучение солнечных нейтрино для физики Солнца и астрофизики. На сегодня измерения концентрации элементов тяжелее гелия, полученные из спектроскопии поверхности Солнца, находятся в противоречии с данными гелиосейсмологии. Данное противоречие составляет так называемую проблему металличности Солнца, или, другими словами, загадку его химического состава. Предсказания потоков солнечных нейтрино зависят от концентрации тяжелых элементов, а значит, их измерение может быть использовано для разрешения проблемы металличности Солнца. Новые результаты Борексино соответствуют более высокой вероятности реализации моделей Солнца с высокой концентрацией тяжелых элементов, это первое указание подобного рода в истории исследования солнечных нейтрино. Таким образом, сделан первый шаг для решения проблемы металличности Солнца.
Коллаборация Борексино объединяет группы ученых из Италии, Германии, США, Франции, России и Польши. Группа из ЛЯП ОИЯИ является одной их старейших в коллаборации и принимает участие в эксперименте с момента обсуждения проекта в 1991 году. Кроме ученых из ОИЯИ, в работе по проекту Борексино принимают участие наши коллеги из других российских институтов: НИЦ «Курчатовский институт», работающих на площадке в Москве и в Санкт-Петербурге в НИЦ КИ-ПИЯФ, специалисты НИИЯФ МГУ.
Ожидается, что Борексино продолжит набор данных до 2020 г., коллаборация ставит своей целью измерение потоков нейтрино из углеродно-азотного цикла. В случае успеха это будет первым измерением подобного рода, подтверждающим теоретические представления о механизмах генерации энергии в более массивных звездах.