Подробно:

Солнце

Солнечное нейтрино

---

Знания-сила

Солнечное нейтрино. Нейтринная астрономия.

Можно с уверенностью сказать, что наше дневное светило Солнце — это «черный ящик», у которого астрономы могут наблюдать только «выход». Все све́дения, которыми располагает о Солнце современная астрономия, получены благодаря исследованию различных излучений, возникающих в самых верхних слоях нашего дневного светила. Непосредственно из недр Солнца никакая информация к нам не поступает. Таким образом, теория внутреннего строения Солнца, согласно которой его энергия поддерживается термоядерными реакциями, — это, строго говоря, всего лишь теоретическая модель.

Впрочем, выражение «всего лишь» в данном случае не совсем уместно. Термоядерная теория достаточно хорошо объясняет процессы звездной эволюции и находится в хорошем согласии с наблюдаемыми физическими характеристиками Солнца и звёзд. И все же, как любая теоретическая модель внутреннего «устройства» «черного ящика», эта теория нуждается не только в косвенных свидетельствах, но и в прямых подтверждениях, а для этого необходима информация, полученная непосредственно из звёздных недр.

В последние годы такая возможность в принципе появилась. Речь идёт о так называемой «нейтринной астрономии» или, точнее, «нейтринной астрофизике».

• Нейтрино — «неуловимая» частица, принимающая непосредственное участие в термоядерных реакциях. В частности, нейтрино образуются в процессе термоядерных превращений водорода в гелий, которые, согласно современным представлениям, и служат источниками внутризвё́здной энергии. Энергия этих частиц и величина их потока зависят от температуры и характера ядерных реакций.

В то время как фотон, образовавшийся в недрах Солнца, прежде чем вырваться нару́жу, испытывает около 10 миллиардов соударений, нейтрино, обладающие огромной проникающей способностью, проходят через всю толщу солнечного вещества практически беспрепятственно и достигают Земли. Если бы нам удалось «поймать» солнечные нейтрино, мы в некотором смысле «увидели» бы, что происходит в центре Солнца. Но наблюдать нейтрино можно только косвенным путем, заставляя их взаимодействовать с другими частицами и регистрируя результаты подобных взаимодействий.

Подходящей ядерной реакцией может служить взаимодействие нейтрино с ядром одного из изотопов хлора, с атомным весом 37. Уловив нейтрино, такое ядро превращается в ядро изотопа аргона-37. При этом образуется один электрон, который можно зарегистрировать хорошо известными физикам способами. Кроме того, аргон-37 радиоактивен (он распадается приблизительно через 35 дней), значит, через определенные промежутки времени можно измерять, сколько его накопилось.

На этой реакции и основана идея известного эксперимента Раймонда Де́виса по изучению солнечных нейтрино.

Но нужно ещё «отстроиться» от других космических излучений, которые также могут вызывать ядерную реакцию превращения хлора в аргон. Чтобы избавиться от таких, помех, надо все измерения проводить глубоко под землей, куда обычные космические частицы проникнуть заведомо не могут.

Нейтринный телескоп

Идея «хлорного детектора» для регистрации солнечных нейтрино была предложена известным советским физиком академиком Б. Понтекорво и осуществлена́ американским физиком Р. Де́висом и его сотрудниками. «Нейтринным телескопом» служила огромная цистерна, заполненная 600 тоннами (390000 литрами) перхлорэтилена — вполне прозаической жидкости, применяемой для чистки одежды. Каждая молекула этого вещества содержит четыре атома хлора, среди которых иногда встречается и чувствительный к нейтрино изотоп Сl³⁷. Аппаратура была установлена в заброшенном золотом руднике в штате Южная Дакота вблизи города Хоумстейк на глубине 1500 метров под землёй, для исключения побочных ядерных реакций дополнительно применялась защита толстым слоем воды.

Наблюдения проводились на протяжении длительного времени (тридцать лет !!!) несколькими сериями и дали неожиданный результат. Число зарегистрированных актов взаимодействия оказалось намного меньше предсказанного первоначальной теорией. Для объяснения были выдвинуты различные гипотезы, в том числе и довольно экстравагантные. Так например, некоторые ученые предположили, что солнечный термоядерный реактор работает в «импульсном режиме». В силу определенных особенностей течения физических процессов в недрах Солнца термоядерная реакция время от времени прекращается. И тогда Солнце светит за счёт запасов энергии, накопленных в предыдущем цикле. Вспомним, что фотоны электромагнитного излучения, приходящие к нам от Солнца, фактически родились около миллиона лет назад — ведь им ещё надо было «пробиться» к солнечной поверхности. Нейтрино же дают нам информацию о состоянии Солнца практически в момент наблюдения. Поэтому нет ничего удивительного в том, что «электромагнитная» и «нейтринная» картины могут не совпадать... Не означает ли отсутствие солнечных нейтрино в опытах Де́виса, что в нашу эпоху солнечный термоядерный реактор как раз не работает?

Очевидно одно: решение возникшей проблемы требует дальнейших нейтринных наблюдений Солнца. И для этого в настоящее время создается необходимая регистрирующая аппаратура. С другой стороны, не исключена возможность, что такой результат наблюдений Де́виса объясняется свойствами самого́ нейтрино.

Дальнейшее углубленное изучение ядерных реакций позволило сделать вывод о существовании различных типов нейтрино (нейтрино различных энергий т.н. высокоэнергетичных и низкоэнергетичных, причём сделан вывод о том, что нейтрино высоких энергий, регистрируемые в опыте с перхлорэтиле́ном являются нейтрино, возникающими в побочных реакциях на Солнце, а нейтрино низких энергий, которые труднее всего зарегистрировать, есть результат основной реакции в недрах Солнца). Вот что имеется ввиду:

С атомами хлора могут взаимодействовать только нейтрино высоких энергий. Нейтрино, которые возникают в реакциях протон-протонной цепо́чки, обладают слишком низкой энергией. Они не могут взаимодействовать с атомами хлора. Позволяют ли нам наши представления о строении звёзд найти на Солнце источник нейтрино с высокими энергиями?