Проблема солнечных нейтрино решена

Данные с необычной подземной обсерватории помогли учёным разрешить ключевую тайну Солнца, но подняли новые вопросы о физике элементарных частиц.

Физики из Канады, США и Великобритании заявили в понедельник, что первые научные результаты, полученные в Нейтринной Обсерватории Сэдбери (Sudbury Neutrino Observatory, SNO), показывают, что Солнце генерирует столько нейтрино, сколько предсказывается современными моделями, но эти нейтрино приходят на Землю в разных формах. Результаты были представлены на ежегодной Конференции Канадской Ассоциации Физиков в г. Виктория (Британская Колумбия).

Результаты раскрывают одну из беспокоящих тайн современной астрономии: почему в прошлых экспериментах обнаруживалась только третья часть нейтрино из общего количества, предсказанного моделями солнечной физики. В научном сообществе эта проблема получила название "проблема солнечных нейтрино".

"Мы теперь очень уверены в том, что несоответствие вызвано не проблемами с моделями Солнца, а изменениями в самих нейтрино, когда они путешествуют от сердцевины Солнца к Земле," - говорит Art McDonald, директор SNO.

Солнце генерирует свою огромную энергию через слияние ядер, объединение водородных атомов, а затем образование ядер гелия. При этом процессе выделяется энергия, а также образуется дополнительная, почти безмассовая частица, называемая нейтрино. Эта частица была предсказана теоретиками в 1930 году, но учёным потребовалась четверть столетия, чтобы обнаружить частицы, поскольку нейтрино очень слабо взаимодействует с веществом и легко проходит сквозь него.

Первые попытки измерить поток нейтрино от Солнца начались в конце 1960-х годов. Результаты оказались очень удивительными, поскольку в экспериментах обнаруживалась только треть от общего числа нейтрино, ожидаемого на основе моделей ядерных реакций на Солнце. Последующие эксперименты также обнаружили меньшее количество нецтрино. Это означает, что, либо модели ядерных реакций неправильны, либо что-то происходит с нейтрино на пути между местом образования и Землёй.

Чтобы исследовать это, консорциум Канадских, Американских и Британских университетов разработал Sudbury Neutrino Observatory. Обсерватория расположена под землёй на глубине два километра в никелевом руднике. Для детектирования используется тяжёлая вода - вода, в которой атомы водорода заменены его более тяжёлым изотопом, дейтерием. При взаимодействии нейтрино с тяжёлой водой испускаетя электрон со скоростью, большей скорости света в воде. И этот электрон генерирует световое излучение, называемое Черенковским излучением. Измеряя количество этих вспышек света можно определить количество нейтрино.

В отличие от прошлых экспериментов, детектор SNO чувствителен не только к нейтрино, образованных в процессе слияния ядер (эти нейтрино называются электронными), но и к двум другим типам: мюонным и тау-нейтрино. Данные SNO показывают, что общее число обнаруженных нейтрино равно предсказанному числу излучаемых Солнцем электронных нейтрино. Таким образом, часть нейтрино переходит, или осциллирует, в два других типа нейтрино во время распространения от Солнца до Земли.

Хотя результаты являются подтверждением исследований солнечных физиков, но поднимают новые проблемы для физиков, занимающихся исследованиями эелементарных частиц, которые пока не могут объяснить, почему происходят осцилляции нейтрино.

Полученные результаты дают также некоторый вклад в космологию. Подтверждение осцилляций нейтрино, вместе с прошлыми исследованиями, позволяет физикам установить верхний предел на предполагаемую массу нейтрино. Объединяя это с ожидаемым числом нейтрино во Вселенной, физики оценили, что общая масса нейтрино приблизительно равняется общей массе всех видимых звезд во Вселенной.