Нейтрино – одни из самых таинственных частиц во Вселенной, часто называемые «частицами-призраками» из-за их крайне слабого взаимодействия с материей. Ежесекундно триллионы нейтрино пронизывают нас, не оставляя и следа. Эти частицы рождаются в ходе ядерных реакций, в том числе в ядре Солнца. Изучение нейтрино представляет собой огромную научную задачу именно из-за их «скромности». До недавнего времени лишь немногие материалы реагировали на солнечные нейтрино, но теперь ученые добавили к этому списку еще один. Специалистам удалось зафиксировать, как нейтрино превращают атомы углерода в азот внутри массивного подземного детектора. Этот эксперимент стал новым прорывом в исследовании этих неуловимых частиц.
Это важное открытие стало результатом работы исследователей из Оксфордского университета, использующих детектор SNO+. Он расположен на глубине двух километров под землей в лаборатории SNOLAB в Садбери, Канада. SNOLAB функционирует на территории действующей шахты, что обеспечивает необходимую защиту от космических лучей и фонового излучения, которые могли бы помешать крайне чувствительным измерениям нейтрино. В основе детектора находится 12-метровый акриловый резервуар, окруженный 9000 фотоумножителями. Внутри резервуара содержится около 800 тонн жидкого сцинтиллятора, предназначенного для детектирования нейтрино.
Команда исследователей сосредоточила свое внимание на поиске моментов, когда высокоэнергетическое нейтрино сталкивается с ядром атома углерода-13 и превращает его в азот-13 – радиоактивную форму азота, распадающуюся примерно через десять минут. Для регистрации этих редких событий была применена техника «задержанных совпадений». Она позволяет обнаружить два связанных световых импульса: первый – от столкновения нейтрино с ядром углерода-13, и второй – от последующего распада азота-13 несколько минут спустя. Этот парный сигнал критически важен, поскольку он позволяет с высокой степенью уверенности отличать истинные нейтринные события от фонового шума.
За 231 день наблюдений, с 4 мая 2022 года по 29 июня 2023 года, детектор зафиксировал 5,6 таких событий. Это число хорошо согласуется с теоретическими предсказаниями, которые прогнозировали 4,7 события для солнечных нейтрино за тот же период.
Нейтрино обладают уникальными свойствами и играют ключевую роль в понимании того, как функционируют звезды, протекает ядерный синтез и развивается Вселенная. Ученые подчеркивают, что полученные измерения открывают новые перспективы для будущих исследований других низкоэнергетических нейтринных взаимодействий.
Главный автор исследования, аспирант Галливер Милтон из Университета Оксфорда, отметил: «Детектирование этого взаимодействия – выдающееся достижение. Несмотря на редкость изотопа углерода, мы смогли наблюдать его взаимодействие с нейтрино, которые родились в ядре Солнца и преодолели огромные расстояния, чтобы достичь нашего детектора». Профессор Стивен Биллер из того же департамента добавил: «Солнечные нейтрино сами по себе были предметом пристального изучения на протяжении многих лет, а измерения, проведенные нашим предшественником, экспериментом SNO, привели к присуждению Нобелевской премии по физике в 2015 году. Поразительно, насколько наше понимание солнечных нейтрино продвинулось, ведь теперь мы можем впервые использовать их как «тестовый луч» для изучения других редких атомных реакций!».
Эксперимент SNO+ является преемником более раннего проекта SNO, который продемонстрировал, что нейтрино могут переходить между тремя известными формами – электронными, мюонными и тау-нейтрино – по мере своего движения от Солнца к Земле. Как пояснила Кристин Краус, научный сотрудник SNOLAB, первоначальные результаты SNO под руководством Артура Б. Макдональда разрешили давнюю проблему солнечных нейтрино и способствовали получению Нобелевской премии по физике в 2015 году. Эти открытия проложили путь для более глубокого изучения поведения нейтрино и их роли во Вселенной. Доктор Краус подчеркнула: «Это открытие использует естественное содержание углерода-13 в жидком сцинтилляторе эксперимента для измерения специфического, редкого взаимодействия. Насколько нам известно, эти результаты представляют собой наблюдение нейтринных взаимодействий с ядрами углерода-13 при самой низкой энергии на сегодняшний день и обеспечивают первое прямое измерение поперечного сечения для этой конкретной ядерной реакции с образованием азота-13 в основном состоянии».
