Сергей Язев - Лекции о Солнце

Поток солнечных нейтрино был обнаружен! Это подтверждало теорию ядерного синтеза: другие способы производства нейтрино в недрах Солнца неизвестны. Но расхождение с теорией вызывало подозрение: что-то неладно либо в методике эксперимента, либо в теории.

Еще один важный принцип в науке – это воспроизводимость результата. Если эффект существует, он должен фиксироваться и на других установках.

Теория допускала взаимодействие потока нейтрино не только с атомами хлора. Советский физик Вадим Алексеевич Кузьмин (1937–2015) предложил новый тип эксперимента на основе захвата нейтрино ядрами атомов галлия. В результате галлий должен превращаться в радиоактивный германий с периодом полураспада 11,4 суток. Согласно теории, для регистрации одного захвата нейтрино в сутки было достаточно существенно меньшей массы детектора – 20 тонн галлия.

Советский (через год ставший российским) детектор, готовившийся совместно с США, заработал в 1990 году. Резервуар с 57 тоннами галлия был размещен в глубине горы на Баксанской нейтринной обсерватории Института ядерных исследований РАН в Баксанском ущелье на Северном Кавказе (эксперимент SAGE ).

В 1991 году в Гран Сассо в Итальянских Альпах был дан старт второму проекту со схожей методикой (итало-немецкий эксперимент GALLEX , 30 тонн галлия). Предварительные результаты оказались следующими: SAGE – 73 SNU, GALLEX – 79 SNU . Но теория предсказывала 122–132 SNU !

Исследования продолжались. В шахте Камиока (Японские Альпы) на глубине 1000 метров был размещен водный детектор Камиоканде-II. Идея эксперимента на этот раз сводилась к использованию 680 тонн воды в качестве рабочего вещества. Согласно теории, нейтрино иногда должны взаимодействовать с электронами атомов в молекулах воды. В результате рассеяния отдельных частиц в недрах детектора в полной темноте должны возникать вспышки света так называемого черенковского излучения . В стенках резервуара были размещены чувствительные фотоумножители. Первые измерения показали: схема работает, нейтрино фиксируются – но их поток снова оказывался вдвое меньше, чем предсказывала теория!

Модернизированный эксперимент «Супер-Камиоканде» позволил не только фиксировать отдельные взаимодействия нейтрино с веществом детектора, но даже впервые построить размытое «нейтринное» изображение Солнца. Поток нейтрино от Солнца уверенно регистрировался во всех экспериментах. Это означало, что термоядерные реакции в недрах Солнца, безусловно, идут! Но проблема оставалась серьезной: количество нейтрино было меньше, чем предсказывала теория. При этом в разных экспериментах расхождения с расчетами были различными (в два, три, четыре раза).

Конечно, разные установки фиксировали немного разные нейтрино – частицы с различными энергиями. Конечно, всегда оставалось сомнение, насколько корректно проведена обработка данных, насколько правильно работает установка, насколько учтены все инструментальные эффекты, – эксперимент был немыслимо сложным! Методика совершенствовалась, расхождения постепенно уменьшались, но оставались значимыми.

Исследователи постепенно склонялись к мысли, что дело не в погрешностях теории ядерного синтеза на Солнце, а в недостатках наших представлений о том, что такое сами нейтрино!

И действительно, низкая способность нейтрино к взаимодействию с веществом существенно осложняла, осложняет и будет осложнять исследование этих частиц. Некоторые основные свойства нейтрино были вообще неизвестны. Например, согласно первоначальным вариантам теории, нейтрино вообще не обладают массой, и в этом смысле они казались похожими на частицы света – фотоны – и должны передвигаться со скоростью света. Постепенно накапливались основания для подозрений, что масса у нейтрино все-таки есть, но очень маленькая, существенно меньше, чем, например, у электрона. Но тогда теория допускала, что могут существовать нейтрино нескольких «сортов»!

Более того, в соответствии с теорией представлялись возможными превращения нейтрино одного сорта в нейтрино других сортов (так называемые осцилляции нейтрино). Эта идея впервые была высказана в 1968 году все тем же Бруно Понтекорво. Один из сортов частиц (так называемые правополяризованные, или стерильные нейтрино ) вообще не должны взаимодействовать с веществом! Если предположить, что в процессе движения от центра Солнца до земного детектора часть нейтрино претерпевает осцилляции (превращается, например, в стерильные), то вполне естественно, что количество регистрируемых частиц должно уменьшиться.

Позднее теоретические исследования показали, что если осцилляции нейтрино действительно существуют, то они должны усиливаться при прохождении сквозь вещество (эффект Михеева – Смирнова – Вольфенштейна). При этом, если в потоке появятся так называемые μ-нейтрино и τ-нейтрино, которые должны взаимодействовать с веществом слабее, чем рассматривавшиеся ранее в расчетах электронные нейтрино, то число регистрируемых частиц должно также уменьшиться!

Нужен был контрольный эксперимент.

Открытие было сделано в первом году нового, третьего тысячелетия. Канадская нейтринная обсерватория в Садбери ( SNO ) поставила точку в долгом споре о проблеме солнечных нейтрино.

Установка SNO – это гигантский резервуар, содержащий 1000 тонн сверхчистой тяжелой воды (вместо двух атомов водорода в молекуле воды присутствуют два атома тяжелого водорода – дейтерия). В установке работают 9456 фотоумножителей, которые фиксируют черенковское излучение от взаимодействия энергичных нейтрино с атомами дейтерия. При этом впервые можно разделить следствия от взаимодействия с различными сортами нейтрино.

Теория предсказывает три возможных типа реакций. В первой участвуют только электронные нейтрино, во второй – нейтрино всех сортов, в третьей – также нейтрино всех сортов, но здесь поток уменьшен в 6,5 раз из-за другого механизма реакции. При этом третья реакция фиксируется одновременно в установках «Садбери» и «Супер-Камиоканде».

Авторы статьи, опубликованной в 2001 году (число авторов приближается к двумстам – сегодняшние открытия в одиночку не делаются!), показали, что результаты наблюдений можно рассматривать как подтверждение осцилляций (превращений) солнечных электронных нейтрино в другие сорта (τ- и μ-). Авторы вузовского учебника «Общая астрофизика», известные московские астрофизики А. В. Засов и К. А. Постнов указывают, что эти данные лучше всего соответствуют предсказываемому теорией случаю полного смешения нейтрино при распространении в веществе (уже упоминавшийся эффект Михеева – Смирнова – Вольфенштейна).