Знания-сила

Нейтринная астрономия (часть 2).

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 звезд найти на Солнце источник нейтри́но с высокими энергиями?

Оказывается, что наряду с протон-протонной цепочкой (водородным циклом) происходят другие, сопутствующие ядерные реакции. Эти реакции не вносят практически никакого вклада в выделение энергии на Солнце, и поэтому мы их пока не рассматривали. Среди этих реакций есть одна, которая происходит тем чаще, чем больше гелия образовалось в недрах звезды. Она схематически пока́зана на рисунке.

Побочная цепь реакций на Солнце

В побочной цепи́ реакций, протекающих наряду с реакциями водородного цикла, возникает радиоактивный изотоп бериллия, который испускает позитрон и нейтрино высокой энергии.

Нормальный атом гелия с массовым числом 4 сталкивается с ядром изотопа гелия с массовым числом 3. При этом возникает бериллий с массовым числом 7. Если с этим атомом до того, как он самопроизвольно распадется, столкнется протон, то возникнет изотоп бора с массовым числом 8. Такие атомы бора тоже радиоактивны, и они через некоторое время снова превращаются в атомы бериллия.

Но в результате такого превращения образуются позитрон и нейтрино с высокой энергией. Нейтрино, возникающие при такой реакции, как раз подходят для взаимодействия с ядрами хлора! Эти нейтри́но тоже проходят через вещество, практически не взаимодействуя с ним, даже если речь идёт о большом количестве хлора. Однако атомы хлора всё же взаимодействуют, хотя и очень редко, с пролетающими нейтрино.

• За регистрацию солнечного (и космического) нейтрино Рэймонд Дэвис (США) и Масатоши Коши́ба (Япония) в 2002 году получили Нобелевскую премию.

Эксперимент с галлием

Кроме хлора существуют и другие элементы, я́дра которых могут взаимодействовать с нейтри́но. Одним из них является изотоп элемента галлия. Его массовое число составляет 71. После захвата нейтри́но этот изотоп превращается в ядро элемента германия. Существенное отличие от эксперимента с хлором состоит в том, что в эксперименте с галлием можно подсчитать и нейтри́но низких энергий. Галлиевый детектор считает нейтрино, возникающие в результате реакций водородного цикла. Таким образом, эксперимент с галлием позволил бы определить интенсивность реакции, которая вносит основной вклад в выделение энергии на Солнце, а не фиксировать нейтри́но побочной реакции.

Почему же тогда эксперимент с галлием до сих пор никем не поставлен? Первая трудность состоит в том, как подсчитать все атомы германия, возникающие при взаимодействии галлия с нейтрино. Прежде всего необходимо создать соответствующие детекторы. Вторая трудность является общей для всех опытов с нейтри́но. Дело в том, что эти частицы очень редко взаимодействуют с атомными ядрами. Чтобы зафиксировать в течение суток хотя бы одно превращение атома галлия в атом германия под воздействием солнечных нейтрино, требуется контейнер по меньшей мере с 37 тоннами галлия. Это количество сравнимо со всеми запасами чистого галлия в мире. Галлий получают как побочный продукт при выработке алюминия. Стоимость одной тонны галлия в настоящее время составляет почти миллион марок ФРГ. Конечно, галлий не расходуется в нейтри́нном эксперименте, и его можно потом повторно использовать. Однако непонятно, будет ли это существенно дешевле. В то же время известно, что правительство каждого государства должно иметь запас галлия на случай войны, поскольку галлий требуется для электронной промышленности. Так что идея эксперимента с галлием имеет в этом смысле определенные достоинства. Известно, что в Институте ядерной физики им. Макса Планка в Ге́йдельберге был разработан детектор для германия, а в США, Израиле и Германии проведены исследования по подготовке предварительного эксперимента, вначале с одной тонной галлия.

В проведенных уже экспериментах (GALLEX в Гран Сассо (Италия – Германия) и SAGE (Soviet-American Gallium Experiment) на Баксане (Россия – США)) нейтрино также «не хватает».

Полномасштабный эксперимент тоже будет рано или поздно осуществлён. Подтвердит ли он наши представления о внутреннем строении Солнца? Или же астрофизики узнают, что все их догадки о процессах выделения энергии в недрах звёзд неверны́?

По некоторым предположениям, если нейтрино имеют отличную от нуля массу покоя, возможны превращения (осцилляции) различных сортов нейтрино (эффект Михеева – Смирнова – Вольфенштейна) (существует три сорта нейтрино: электронное, мюонное и тауонное нейтрино). К такому открытию пришли учёные, работающие в нейтринной обсерватории в Онтарио (Канада) в 2001-2002гг. Т.к. другие нейтрино имеют гораздо меньшие сечения взаимодействия с веществом, чем электронное, наблюдаемый дефицит может быть объяснён, без изменения стандартной модели Солнца, построенной на базе всей совокупности сегодняшних астрономических данных.