Ученые международной коллаборации Борексино с участием сотрудников МГУ имени М.В. Ломоносова представили результаты 10 лет нейтринных исследований в эксперименте Борексино. Результаты наблюдений на детекторе подтверждают теоретические предсказания Стандартной солнечной модели и предоставляют более глубокое понимание термоядерных процессов, протекающих внутри Солнца. Исследование опубликовано в журнале Nature 25 октября.

M. Agostini, K. Altenmüller, S. Appel et al. Comprehensive measurement of pp-chain solar neutrinos. 2018, Nature, V.562.

98% энергии, производимой Солнцем, высвобождается в процессе термоядерных реакции протон-протонного цикла. В ходе него атомы водорода превращаются в атом гелия с выделением большого количества различных частиц и электромагнитного излучения, включая свет и тепло. Нейтрино — единственная из частиц, выделяемых в процессе термоядерных реакций, которая долетает до Земли «в неизменном виде». Эти частицы способны проходить через материю и магнитные поля, не искажаясь, и доносить информацию о термоядерных процессах внутри Солнца.

Для регистрации нейтрино в мире существует несколько мегаустановок, а детектор Борексино (Borexino) — одна из самых чувствительных среди них. Этот детектор расположен в подземной лаборатории Гран Сассо (Италия). Борексино представляет собой нейлоновую сферу диаметром 8.5 метров, заполненную 300 тоннами чрезвычайно низкофонового жидкого сцинтиллятора и окруженную многими слоями защиты. Радиационный фон внутри детектора в 100 миллиардов раз ниже, чем в окружающей среде. Нейтрино под силу преодолеть такую систему защиты, а за их взаимодействиями со сцинтиллятором «наблюдают» 2200 фотоумножителей.

Детектор смог впервые измерить поток «бериллиевых» нейтрино от Солнца с уникально высокой точностью 2.7% — в два раза более высокой, чем предсказания Стандартной солнечной модели (ССМ). Сигнал от рер-нейтрино впервые зарегистрирован на уровне статистической значимость 5 сигма. «Борные» нейтрино измерены с наиболее низкого энергетического порога 3.2 МэВ, недоступного другим нейтринным детекторам, а высокая точность измерений рр-нейтрино позволила впервые определить относительные скорости ветвления протон-протонной цепочки в звездах по каналам 3Не+3Не и 3Не+4Не, которые оказались в согласии с предсказаниями ССМ.

«Хорошо известно, что нейтрино подвержены квантовому эффекту осцилляций, то есть переходят из одного типа в другой, и вероятность этого процесса зависит от их энергии и ряда других параметров, — комментирует старший научный сотрудник НИИ ядерной физики МГУ Александр Чепурнов. — Рождающиеся в различных реакциях на Солнце нейтрино обладают разными энергиями, следовательно, их изучение не только способствует изучению феноменологии нейтринных осцилляций, но и позволяет реализовать поиск возможных эффектов за пределами Стандартной модели физики частиц, таких как, например, нестандартные взаимодействия нейтрино и переходы нейтрино в стерильное состояние».

Изучение солнечных нейтрино важно для таких областей науки, как физика Солнца и астрофизика. Так, данные о концентрации элементов тяжелее гелия (металличность) на Солнце, полученные путём спектроскопии и методами гелиосейсмологии, противоречили друг другу. Исследования на детекторе Борескино указывают на достоверность модели Солнца с высокой концентрацией тяжелых химических элементов на уровне статистической значимости 2 сигма. Таким образом, данные о металличности Солнца впервые получены новым методом, что, возможно, послужит первым шагом в решении давней научной проблемы.

Российские ученые внесли существенный вклад в развитие проекта в виде разработки, изготовления и внедрения 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. Ожидается, что Борексино продолжит собирать данные до 2020 года.

В проекте Борексино от России участвуют сотрудники НИИЯФ имени Д.В. Скобельцына МГУ имени М.В. Ломоносова, специалисты Национального исследовательского центра «Курчатовский институт», работающие на площадках в Москве и Санкт-Петербурге в НИЦ КИ-ПИЯФ и Объединенного института ядерных исследований (Дубна).