Нейтринная алхимия: частицы-призраки Солнца наконец поймали трансформирующие атомы

Тысячи метров под землей, в хтонических глубинах земной коры, ученые наконец-то поймали солнечные нейтрино в процессе превращения углерода-13 в азот-13.

Это первый раз, когда эта редкая ядерная реакция, опосредованная нейтрино, показывает, как некоторые из самых неуловимых и неосязаемых частиц во Вселенной, тем не менее, могут незаметно изменять материю, в подземной темноте, далеко от Земли.

«Это открытие использует естественное содержание углерода-13 в жидком сцинтилляторе эксперимента для измерения специфического, редкого взаимодействия», — говорит физик Кристин Краус из SNOLAB, нейтринной обсерватории в Канаде, где было сделано это обнаружение.

«Насколько нам известно, эти результаты представляют собой наблюдение с самой низкой энергией нейтринных взаимодействий на ядрах углерода-13 на сегодняшний день и обеспечивают первое прямое измерение сечения этой конкретной ядерной реакции с основное состояние образующегося ядра азота-13».

По теме: Официально: «частица-призрак», врезавшаяся в Землю, бьет рекорды

Нейтрино — одни из самых распространенных частиц в большой Вселенной. Они образуются в энергетических условиях, таких как взрывы сверхновых или термоядерный синтез, происходящий в недрах звезд, поэтому они практически повсюду.

Однако у них нет электрического заряда, их масса почти равна нулю, и они практически не взаимодействуют с другими частицами, с которыми сталкиваются. Сотни миллиардов нейтрино сейчас проходят через ваше тело, просто проходя сквозь него, как призраки. По этой причине их ласково называют частицами-призраками.

Но время от времени нейтрино действительно сталкивается с другой частицей – столкновение, которое производит бесконечно слабое свечение и дождь из других частиц. Однако их трудно обнаружить на поверхности Земли, где космические лучи и фоновое излучение закрывают сигнал.

Вот почему некоторые из лучших детекторов нейтрино находятся глубоко под землей, где сама земная кора служит радиационной защитой. Там гигантские камеры оснащены фотодетекторами и заполнены жидким сцинтиллятором, который усиливает крошечные сигналы, генерируемые редкими взаимодействиями нейтрино, расцветая в полной, безмолвной темноте.

Нейтрино, созданные в сердце Солнца, постоянно текут через Землю. Их энергии находятся в хорошо известном диапазоне, что позволяет легко отличить их от атмосферных и астрофизических нейтрино, которые гораздо более энергичны и гораздо менее распространены. На глубине 2 километра (1,24 мили) детектора SNO+ компании SNOLAB почти все события в этом энергетическом диапазоне имеют солнечное происхождение.

Исследовательская группа под руководством физика Гулливера Милтона из Оксфордского университета в Великобритании изучила данные SNO+, собранные в период с 4 мая 2022 года по 29 июня 2023 года, в поисках конкретного сигнала, указывающего на взаимодействие нейтрино с углеродом-13 внутри сцинтилляционная жидкость.

Когда нейтрино солнечного электрона сталкивается с ядром углерода-13, столкновение приводит к двум вещам. Первый — это рождение электрона, частицы с отрицательным зарядом, когда ядро ​​атома поглощает нейтрино.

Внутри ядра атома углерода находятся 13 частиц: шесть положительно заряженных протонов и семь нейтральных нейтронов. Слабое взаимодействие, вызванное нейтрино, превращает один из этих нейтронов в протон, испуская электрон.

Поскольку количество протонов увеличилось с шести до семи, атом больше не является углеродом, а является азотом-13, имеющим семь протонов и шесть нейтронов.

Примерно через 10 минут образовавшийся азот-13 – нестабильный радиоактивный изотоп азота с периодом полураспада, как вы уже догадались, 10 минут – распадается, испуская характерный антиэлектрон или позитрон.

Результатом взаимодействия от начала до конца является характерная двухэтапная вспышка, известная как отложенное совпадение. По сути, исследователи могут наблюдать за электроном, за которым через 10 минут следует позитрон, что является признаком нейтрино, превращающего углерод-13 в азот-13.

Из данных наблюдений за 231 день исследователи определили 60 событий-кандидатов. Передача данных о событиях-кандидатах через статистическую модель позволила оценить 5,6 нейтрино-индуцированных трансмутаций углерода и азота. На самом деле это довольно близко к предполагаемому количеству событий, которое они ожидали обнаружить.

«Зафиксировать это взаимодействие — выдающееся достижение», — говорит Милтон. «Несмотря на редкость изотопа углерода, нам удалось наблюдать его взаимодействие с нейтрино, которые родились в ядре Солнца и преодолели огромные расстояния, чтобы достичь нашего детектора».

Результат впечатляет. Подтверждение теоретических предсказаний всегда приятно, поскольку означает, что наука находится на правильном пути.

Это также дает новое измерение вероятности этой специфической низкоэнергетической нейтрино-углеродной реакции. Это означает, что он устанавливает новый стандарт для ядерной физики, который будет полезен в будущих исследованиях.

«Солнечные нейтрино сами по себе были интригующим предметом изучения в течение многих лет, и их измерения в ходе нашего предшественника эксперимента SNO привели к Нобелевской премии по физике 2015 года», — говорит физик Стивен Биллер из Оксфордского университета.

«Примечательно, что наше понимание нейтрино от Солнца продвинулось настолько далеко, что мы можем теперь впервые используйте их в качестве «испытательного луча» для изучения других видов редких атомных реакций!»

Результат исследования был опубликован в журнале Physical Review Letters.