После десятилетий поисков физики наконец подтвердили существование низкоэнергетических нейтрино — элементарных частиц, которые практически не взаимодействуют с видимой материей. Это является прямым доказательством теории о том, что ядра Солнца и других звезд производят большое количество таких нейтрино. Частицы эти являются продуктом первого шага ядерной реакции, обеспечивающей сияние светил.

Превращение водорода в гелий является источником 99% энергии Солнца. Каждую секунду наша звезда трансформирует 600 миллионов тонн водорода в гелий.

Многоступенчатый процесс начинается при сильнейшем нагреве и давлении: плотное ядро звезды сжимает пары протонов вместе, чтобы сформировать дейтерий — тяжёлый изотоп водорода с ядром из одного протона и одного нейтрона.

Один из протонов в ходе этого процесса превращается в нейтрон, параллельно высвобождается низкоэнергетический нейтрино и позитрон (античастица электрона).

В то время как позитроны практически мгновенно уничтожаются при столкновении с электронами, нейтрино выбрасываются в космос во всех направлениях и со скоростью, близкой к скорости света.

Другие ядерные реакции на Солнце тоже производят нейтрино, и в результате 100 миллиардов частиц бомбардируют каждый квадратный сантиметр Земли ежесекундно. Однако, как мы уже сказали, нейтрино практически не взаимодействуют с материей, а потому зарегистрировать их крайне сложно.

Низкоэнергетические частицы поймать приборами ещё труднее. Их сигнал может быть заглушен радиоактивным распадом обычных земных материалов. Солнечные нейтрино, имеющие большую энергию, были обнаружены ещё в 1960-х годах, но те, что появляются на свет в ходе протон-протонных реакций, ускользали от взора учёных до настоящего времени.

Теперь специалисты проекта Borexino смогли обнаружить нейтрино, сопровождающие протон-протонную реакцию в ядре Солнца, с помощью детектора "Борексино", расположенного под километром известняковых пород с низкой естественной радиацией в национальной лаборатории Гран-Сассо (Laboratori Nazionali del Gran Sasso) в районе города Л'Аквила, Италия.

Те процессы, что мы описали выше, учёные, изучающие физику Солнца, просчитали давным-давно. Но одно дело построить представление о ядерных реакциях, происходящих в звезде, и другое — иметь тому убедительные доказательства. Физики вполне могли ошибаться относительно того, какие именно реакции происходят и насколько они важны. Поэтому обнаружение детектором Борексино низкоэнергетических электронных нейтрино является достижением эпохального масштаба.

Открытие не только подтверждает, что 90% звёзд Млечного Пути (в том числе те, что похожи на Солнце, а также менее массивные) генерируют большую часть своей энергии таким образом. Теперь на руках у исследователей могут оказаться мгновенные снимки ядра нашей звезды, так как нейтрино прибывают на Землю всего через 8 минут после их создания.

"Нейтрино – наш единственный шанс заглянуть с Земли в недра Солнца, – рассказывает Андреа Покар (Andrea Pocar) из университета Массачусетса. – Те нейтрино, что формируются в момент слияния двух протонов и их превращения в дейтерий, особенно сложно изучать. Обнаружить эти частицы сложно, так как они обладают относительно низкой энергией и их можно спутать с теми нейтрино, что выделяются в ходе реакций распада радиоактивных ядер на Земле".

С помощью детектора "Борексино" можно осуществлять наблюдение за всем спектром нейтрино разных энергий. Ядро установки представляет собой нейлоновую сферу толщиной в 100 микрометров и радиусом более 4 метров. Её окружают 200 фотоэлектронных умножителя (ФЭУ). Сфера заполнена 300 тоннами тщательно очищенного жидкого сцинтиллятора. Сцинтиллятор окружён защитным слоем воды, (889 тонн), которая не является сцинтиллятором и предохраняет сосуд от излучения 2212 световых детекторов. Также на установке дополнительно имеются около 2500 ФЭУ.

Одна из основных трудностей, которая стояла перед исследователями, заключалась в устранении фоновых распадов углерода-14 (его период полураспада составляет менее шести тысяч лет). Малое содержание такого изотопа в жидком сцинтилляторе установки и современные статистические методы обработки результатов измерений позволили устранить влияние фоновых процессов.

"Борексино" может измерять поток низкоэнергетических нейтрино с погрешностью 10%. Будущие эксперименты могут сократить этот показатель до 1%. Это случится, когда в жидкости "выгорят" все радиоактивные атомы углерода-14 и когда физики соберут полные данные об уровне фонового излучения в окрестностях детектора. Возможно, тогда будет совершено открытие новой физики и будут разрешены многие вопросы.

Например, совсем небольшие несоответствия между энергией нейтрино и энергией фотонов в солнечном свете, который достигает Земли, могут выдать присутствие тёмной материи — гипотетического невидимого материала, который может отвечать за большую часть массы во Вселенной.

Эксперименты могут также помочь проверить, насколько хорошо модели описывают превращение нейтрино двух других типов — тау-нейтрино и мюонных нейтрино.

Научная статья об обнаружении низкоэнергетических нейтрино была опубликована в журнале Nature.