Подземный детектор нейтрино зафиксировал частицы, произведенные в процессе слияния двух протонов в ядре Солнца. Глубоко в его ядре пары протонов сливаются и формируют более тяжелые атомы, испуская таинственные частицы, которые называются нейтрино, в этом процессе. Эти реакции, как считается, должны быть первым шагом в цепи, которая ответственна за 99 процентов энергии, излучаемой Солнцем, но до сих пор у ученых не было никаких доказательств. Физики впервые поймали неуловимые нейтрино, произведенные в ходе основной реакции протонного синтеза на Солнце.

Земля должна утопать в таких нейтрино. Расчеты показывают, что 420 миллиардов частиц ежесекундно пролетают через каждый квадратный дюйм нашей планеты, и тем не менее их просто невозможно найти. Нейтрино практически никогда не взаимодействуют с обычной материей, пролетая насквозь через пустые пространства между атомами в наших телах и обычной материи. Но иногда они сталкиваются с атомом и выбивают электрон, создавая быструю вспышку света, видимую чувствительными детекторами.

Именно так и были обнаружены нейтрино в ходе эксперимента Borexino Национальной лаборатории Гран-Сассо в Италии. Это обнаружение так называемых протон-протонных нейтрино, образованных в процессе слияния двух протонов на Солнце.

«В их существовании никто не сомневается, но небольшой группе сложно построить чувствительный детектор, способный зафиксировать низкоэнергетическое нейтрино в режиме реального времени, — говорит Вик Хакстон, физик из Калифорнийского университета в Беркли, не принимавший участия в эксперименте. — Borexino удалось сделать это в ходе долгой кампании по изучению и устранению фоновых событий».

Borexino использует чан с жидким сцинтиллятором — материалом, который излучает свет при возбуждении. Он находится в большой сфере, вокруг которой 1000 тонн воды, погребенной на 1,4 километра под землей. Эта защита должна остановить все, кроме нейтрино, в том числе и фоновое излучение, которое может мимикрировать под нужный сигнал.

«К сожалению, для протон-протонного нейтрино этого недостаточно», — говорит Андреа Покар из Массачусетского университета, член коллаборации Borexino и ведущий автор статьи, опубликованной 28 августа в журнале Nature.

Некоторые фоновые загрязнения невозможно экранировать, поскольку они рождаются непосредственно внутри эксперимента. Основной шум создает углерод-14 в самом сцинтилляторе. Углерод-14 — это радиоактивный изотоп, изобилующий на Земле. Его предсказуемое время распада помогает археологам определять возраст древних образцов. Когда же углерод-14 распадается, он излучает электрон, создающий вспышку, крайне похожую на pp-нейтрино. Физики должны отличать распад изотопа от нейтрино. Команде Borexino удалось изолировать все сигналы за несколько лет, и она наткнулась на истинный сигнал нейтрино.

Открытие солнечного pp-нейтрино будет обнадеживающим подтверждением основных теоретических моделей физиков, описывающих Солнце. Предыдущие эксперименты обнаружили высокоэнергетические нейтрино, созданные на более поздних стадиях процесса синтеза с участием распада атомов бора. Но pp-нейтрино с более низкой энергией обнаружить было крайне сложно. Их обнаружение завершает картину цепи синтеза Солнца, а также укрепляет планы следующего поколения наземных экспериментов, связанных с нейтрино.

Особой таинственности этим частицам добавляет то, что они приходят в трех вариантах — электрон-, мюон- и тау-нейтрино — и обладают причудливой способностью менять облик, или «осциллировать». Все солнечные нейтрино должны рождаться в виде электрон-нейтрино. Но к тому моменту, как они достигают Земли, небольшая их часть уже превращается в мюонное и тау-нейтрино.

Каждый аромат нейтрино имеет разную массу, хотя физики пока и не знают, какова она, эта масса. Определение массы и порядка трех ароматов — важнейшие цели экспериментов с нейтрино. Различия между массами ароматов нейтрино — основной фактор, определяющий, как осциллируют нейтрино.

Если нейтрино проходит через материю, взаимодействие с ней также изменяет уровень осцилляции. Осцилляции высокоэнергетических нейтрино, как оказалось, сильно изменяют материи — соответственно, лишь немногие из них выживают в качестве электронных нейтрино к моменту достижения Земли.

Нейтринная обсерватория Садбери в Онтарио и японский эксперимент Супер-Камиоканде обнаружили этот феномен десятки лет назад, зафиксировав распад высокоэнергетических солнечных борных нейтрино. Результаты эксперимента Borexino подтверждают эффект: большая часть низкоэнергетических нейтрино сохраняет аромат чаще, нежели высокоэнергетические.

Новые эксперименты, например «нейтринный эксперимент с длинной базой» (LBNE) от Национальной ускорительной лаборатории Ферми, запланированы на 2022 год. Они будут изучать осцилляции нейтрино, проходящих через материю. Вместо того чтобы использовать солнечные нейтрино, этот проект будет создавать мощные пучки нейтрино на ускорителях частиц и изучать их поведение по мере прохождения через материю.

Решение загадки массы нейтрино, в свою очередь, может указать на глубокую теорию физики частиц, более глубокую, нежели Стандартная модель, которая не учитывает массы нейтрино. Успехи Borexino показывают, что в нашем распоряжении появляются достаточно мощные детекторы, которые могут ловить и анализировать нейтрино.