Група дослідників з колаборації Borexino повідомила про перше вимірювання сонячних нейтрино вуглець-азот-кисеня (CNO) за допомогою черенковського випромінювання в рідинному сцинтиляторному детекторі.
Результати дослідження, опубліковані в журналі Physical Review Letters, підтверджують існування CNO-циклу на Сонці і дають нові обмеження на сонячну металічність - вміст елементів, важчих за водень і гелій.
Сонячні нейтрино представляють собою елементарні частинки, що утворюються в реакціях ядерного синтезу, які живлять Сонце. Вони несуть цінну інформацію про сонячне ядро, де відбуваються процеси термоядерного синтезу, а також про властивості самих нейтрино.
Основним джерелом сонячних нейтрино вважається ланцюжок протон-протон (pp), на який припадає близько 99% сонячної енергії. Однак близько 1% енергії зорі генерується послідовністю реакцій, де вуглець, азот і кисень виступають каталізаторами.
Цикл CNO домінує в масивних та старих світилах, тому його виявлення можна вважати викликом для астрофізики.
За тієї умови, що ми приймаємо Сонце як зірку середнього віку. А це означає, що науковці помиляються у своїх розрахунках.
Експеримент лабораторії Borexino призначений для виявлення сонячних нейтрино низьких енергій шляхом їхнього пружного розсіювання на електронах у великому об'ємі надчистого рідкого сцинтилятора. Він міститься в тонкій нейлоновій посудині, оточеній буферною рідиною, і спостерігається тисячами фотоелектронних помножувачів.
Детектор захищений від зовнішнього випромінювання резервуаром з водою, який також слугує обмежувачем для космічних мюонів.
Відомо, що у 2020 році Борексіно здійснив перше пряме спостереження нейтрино CNO зі значенням 7 сигма, використовуючи багатовимірний аналіз енергетичного та радіального розподілу подій. Однак аналіз 3-річної давнини вимагав зовнішнього обмеження на фон від вісмуту-210, радіоактивного ізотопу, присутнього в сцинтиляторі, і міг використовувати лише близько третини отриманих даних.
У новому дослідженні науковці застосували інший підхід, заснований на методі "корельованої та інтегрованої спрямованості" (CID), який використовує інформацію про спрямованість, закодовану в черенковському світлі, що випромінюється разом зі сцинтиляцією.
Черенковське світло генерується, коли заряджена частинка рухається швидше за швидкість світла в непрозорому середовищі, і має характерний кутовий розподіл, що залежить від напрямку руху частинки.
Відібравши ранні фотони, виявлені фотопомножувачами, дослідники змогли реконструювати напрямок розсіяних електронів і співвіднести його з напрямком руху Сонця. Таким чином, вони відрізнили нейтрино від фону з інших джерел.
Метод CID має кілька переваг над попереднім аналізом: він може використовувати весь набір даних Borexino, зібраний з 2007 по 2021 рік; не потребує зовнішнього обмеження на фон вісмуту-210 і не залежить від спектральної інформації. Звісно, за винятком вибору енергетичної області, яка нас цікавить.
Дослідники застосували цей метод до вимірювань нейтрино CNO і отримали чіткий доказ їх існування, відкинувши нульову гіпотезу з більш ніж 5-сигма апостеріорною ймовірністю за допомогою байєсівської статистики.
Вони також поєднали результат CID з покращеним спектральним узгодженням даних і отримали остаточне і найточніше вимірювання швидкості та потоку взаємодії нейтрино в CNO. Результати узгоджуються з прогнозами стандартних моделей Сонця з високою металічністю.
Крім того, результати узгоджуються з попередніми вимірюваннями сонячних нейтрино берилію-7 і бору-8, які також свідчать на користь сценарію високої металічності.
Крім того, науковці визначили суму вмісту C і N в сонячному ядрі, знайшовши значення, яке є сумісним зі сценарієм високої металічності і демонструє напругу у 2 сигми зі сценарієм низької металічності.
Нові результати з Борексино демонструють потужність спрямованого черенковського світла у великомасштабних рідинних сцинтиляторних детекторах і відкривають нові можливості для нейтринних експериментів наступного покоління.
Очікується, що гібридні детектори, які поєднують переваги як черенковських, так і сцинтиляційних методів, матимуть високу чутливість до сонячних нейтрино низьких енергій та інших аналогових фізичних явищ.
Для довідки:
Цикл CNO - це сукупність реакцій ядерного синтезу, які перетворюють водень на гелій, використовуючи вуглець, азот і кисень як каталізатори. Цикл CNO важливий для розуміння виробництва енергії та металічності зірок, особливо тих, що масивніші за Сонце.
Теоретичні моделі припускають, що CNO-цикл - домінуюче джерело енергії у зорь, маса яких перевищує масу Сонця приблизно в 1,3 раза.
Астрофізики говорять про два типи циклу CNO:
- Гарячий цикл CNO;
- Холодний цикл CNO.
Гарячий цикл виникає при тиску, подібному до того, що спостерігається в наднових і рентгенівських спалахах. За таких умов швидкість захоплення протонів перевищує швидкість бета-розпаду, підштовхуючи горіння до лінії протонної краплі.
Через вищі температури ці каталітичні цикли зазвичай називають гарячими CNO-циклами.
Холодний цикл зустрічається у більшості зірок, каталітичне спалювання водню в циклах CNO обмежується захопленням протонів.
