Физики впервые увидели, как частицы Солнца превратили углерод в азот
Ученые из Оксфордского университета впервые зарегистрировали, как солнечные нейтрино сталкиваются с изотопом углерода-13, превращая его в азот-13. Это открытие, опубликованное в Physical Review Letters, помогает глубже понять процессы внутри звезд, включая Солнце, и расширяет горизонты в ядерной физике.
Нейтрино — невидимые путешественники Вселенной
Нейтрино часто называют «частицами-призраками». Они почти не взаимодействуют с материей и беспрепятственно проходят через планету и человеческое тело. Ежесекундно через нас пролетают триллионы таких частиц. Они образуются в ядерных реакциях, в том числе в ядре Солнца, и их «невидимость» делает регистрацию крайне сложной.
«Зафиксировать это взаимодействие — выдающееся достижение. Несмотря на редкость изотопа, мы смогли наблюдать нейтрино, которые преодолели миллионы километров, чтобы достичь нашего детектора», — говорит Гулливер Милтон, ведущий автор исследования.
Как ловили редкие события
Эксперимент проводился в SNOLAB — лаборатории, расположенной на глубине двух километров под землей в Садбери, Канада. Подземное расположение защищает детектор от космических лучей и фонового излучения, которые могут скрыть слабые сигналы.
Ученые отслеживали события, когда нейтрино сталкивались с атомами углерода-13 и превращали их в радиоактивный азот-13. Этот изотоп распадается примерно через десять минут. Использовался метод «отложенного совпадения»: фиксировались два сигнала — первый от столкновения нейтрино с углеродом, второй от распада азота. Это позволяет с высокой точностью отделять реальные взаимодействия от случайного шума.
За 231 день эксперимента было зарегистрировано 5,6 событий, что совпадает с прогнозируемыми 4,7 реакциями, подтверждая правильность расчетов.
Почему открытие важно для науки
Нейтрино играют ключевую роль в ядерном синтезе, процессах в звездах и эволюции Вселенной. Это исследование открывает возможность изучать низкоэнергетические нейтрино и их взаимодействие с другими атомными ядрами.
«Солнечные нейтрино изучались десятилетиями, а наши предыдущие эксперименты SNO принесли Нобелевскую премию в 2015 году. Теперь мы можем использовать их как естественный "пучок" для исследования редких ядерных реакций», — говорит профессор Стивен Биллер, соавтор работы.
Как устроен эксперимент SNO+
В детекторе SNO+ использовалась жидкость с естественным содержанием углерода-13. Когда нейтрино сталкиваются с атомами, они превращаются в азот-13. Это позволяет впервые напрямую измерять частоту таких реакций и изучать взаимодействие нейтрино с углеродом-13 на рекордно низкой энергии.
SNOLAB — уникальный подземный объект мирового уровня, оснащенный современными системами анализа сигналов и защиты от радиации. Опыт предыдущих экспериментов показал, что нейтрино могут переключаться между электронными, мюонными и тау-нейтрино на пути от Солнца к Земле, что помогло решить долгую загадку «солнечных нейтрино» и получить Нобелевскую премию.
«Использование природного углерода-13 позволяет наблюдать редкие процессы, которые раньше были недоступны. Это новый уровень точности измерений», — говорит научный сотрудник SNOLAB Кристин Краус.
Новые перспективы исследований
Открытие создает возможности для изучения свойств нейтрино и их роли в ядерных процессах и эволюции звезд. Оно также закладывает основу для будущих экспериментов по редким ядерным реакциям.
«Эти результаты демонстрируют, как можно использовать естественные свойства частиц для изучения явлений, которые ранее было невозможно наблюдать», — добавляет Краус.
