Проблема солнечных нейтрино

      Таким образом, факт осцилляций атмосферных m-нейтрино можно считать установленным. Как обстоит дело с n_е? Самым лучшим источником для изучения n_е осцилляций служит Солнце, в ядре которого идут реакции термоядерного синтеза. Солнечные нейтрино регистрируются несколькими подземными детекторами. Первый детектор солнечных нейтрино собран в 1960-х г.г. Р. Дэвисом в старой шахте Хоумстейк (шт. Юж. Дакота). Его детектор содержал 615 т перхлорэтилена, в котором солнечные нейтрино образуют ядра радиоактивного аргона. Время от времени аргон извлекался из перхлорэтилена, где накапливается в виде газа, и количество его определялось низкофоновым счетчиком. Оно соответствовало скорости образования 0,5 атома/сутки, примерно, трети значения, вычисленного по Стандартной Модели Солнца (SSM). Второй эксперимент с солнечными нейтрино проводится на SK, где наблюдаются в реальном времени n-е рассеяния (так называют процесс, в котором нейтрино обдирают атомарные электроны); электроны рассеяния, мононаправленные от Солнца, отчетливо различаются над фоном. Величина измеренного потока составляет около половины того, что предсказывает SSM. В двух радиохимических экспериментах с применением галлия (SAGE и GALLEX), чувствительных к мягким солнечным нейтрино, дефицит подтвердился на уровне около 60% SSM.

     Этот  дефицит, известный под названием "проблемы солнечных нейтрино", по всей видимости, связан с n_е-осцилляциями, хотя убедительных доказательств еще нет. Такими доказательствами могли бы стать: 1) искажение энергетического спектра солнечных нейтрино, 2) характер вариаций потока в цикле день/ночь и 3) отличие суммарного потока (n_е + n_m + n_t ) от чистого потока n_е. Сейчас проектируются детекторы, рассчитанные на эти возможности. SK регистрирует солнечные нейтрино по n-е рассеяниям с беспрецедентно хорошей статистикой: за три года зафиксировано 15 тыс. событий, их временные вариации и энергетические спектры. В 1999 г. началось поступление данных с SNO (Sudbery Neutrino Observatory), черенковского детектора на 1000 т тяжелой воды, расположенного в шахте Садбери (Канада). Теперь SNO измеряет поток n_е по реакции n_е + D ® е^- + р + р. По завершении этой стадии в тяжелую воду поместят MgCl и счетчики ³Не и будут измерять суммарный поток нейтрино по реакции n + D ® n + n + p. В Гран Сассо строится детектор BOREXINO на 300 т жидкого сцинтиллятора для регистрации моноэнергетических солнечных нейтрино от ⁷Ве с началом работы в 2001 г. С учетом таких усилий следует ожидать, что проблема солнечных нейтрино будет решена в не столь отдаленном будущем.

     Подземные детекторы способствовали прогрессу  нейтринной физики, но исходная цель их сооружения была иной. Первоначальным назначением детекторов с большими массами рабочего вещества было обнаружение распада протонов, крайне редкого события, предсказываемого теорией Великого объединения. Однако ни в одном из больших детекторов, построенных за последние 20 лет, протонного распада не обнаружилось. Видимо, для физики элементарных частиц и астрофизики на следующем этапе понадобятся детекторы с еще большими массами.

 

 

Таблица

ПОДЗЕМНЫЕ ДЕТЕКТОРЫ НЕЙТРИНО

^* диаметр, ⁺ сооружается.

 

 

Источник: Science 289, 18.08.00, p 1155.

Sudbury Neutrino Observatory.

 Данные с необычной подземной  обсерватории помогли ученым разрешить ключевую тайну Солнца, но подняли новые вопросы о физике элементарных частиц.

      Физики  из Канады, США и Великобритании заявили, что первые научные результаты, полученные в Нейтринной Обсерватории Сэдбери (Sudbury Neutrino Observatory, SNO), показывают, что Солнце генерирует столько нейтрино, сколько предсказывается современными моделями, но эти нейтрино приходят на Землю в разных формах. Результаты были представлены на ежегодной Конференции Канадской Ассоциации Физиков в г. Виктория (Британская Колумбия).

      Результаты  раскрывают одну из беспокоящих тайн современной астрономии: почему в прошлых экспериментах обнаруживалась только третья часть нейтрино из общего количества, предсказанного моделями солнечной физики.

      "Мы  теперь очень уверены в том,  что несоответствие вызвано не  проблемами с моделями Солнца, а изменениями в самих нейтрино, когда они путешествуют от сердцевины Солнца к Земле," – говорит Art McDonald, директор SNO.

      Чтобы исследовать это, консорциум Канадских, Американских и Британских университетов  разработал Sudbury Neutrino Observatory. Обсерватория расположена под землей на глубине два километра в никелевом руднике. Для детектирования используется тяжелая вода – вода, в которой атомы водорода заменены его более тяжелым изотопом, дейтерием. При взаимодействии нейтрино с тяжелой водой испускается электрон со скоростью, большей скорости света в воде. И этот электрон генерирует световое излучение, называемое Черенковским излучением. Измеряя количество этих вспышек света, можно определить количество нейтрино.

      В отличие от прошлых экспериментов, детектор SNO чувствителен не только к электронным нейтрино, но и к двум другим типам нейтрино: мюонным и тау-нейтрино. Данные SNO показывают, что общее число обнаруженных нейтрино равно предсказанному числу излучаемых Солнцем электронных нейтрино. Таким образом, часть нейтрино переходит или осциллирует в два других типа нейтрино во время распространения от Солнца до Земли.

      Хотя  результаты являются подтверждением исследований солнечных физиков, но поднимают  новые проблемы для физиков, занимающихся исследованиями элементарных частиц, которые пока не могут объяснить, почему происходят осцилляции нейтрино.

      Полученные  результаты дают также некоторый  вклад в космологию. Подтверждение  осцилляций нейтрино, вместе с прошлыми исследованиями, позволяет физикам  установить верхний предел на предполагаемую массу нейтрино. Объединяя это с ожидаемым числом нейтрино во Вселенной, физики оценили, что общая масса нейтрино приблизительно равняется общей массе всех видимых звезд во Вселенной.

 

СУЩЕСТВУЕТ ЛИ ПРОБЛЕМА

  СОЛНЕЧНЫХ НЕЙТРИНО

 

      Для решения проблемы дефицита солнечных  нейтрино было предложено множество  гипотез. Часть из них затрагивает  астрофизику процессов в недрах Солнца, часть вводит понятие осцилляций нейтрино, часть затрагивает наши представления о пространстве-времени  и его материальности.

      Астрофизические гипотезы базируются на более интенсивном перемешивании вещества недр Солнца и, соответственно, на уменьшении количества реакций, сопровождающихся рождением высокоэнергичных нейтрино. При этом, для обеспечения наблюдаемой светимости Солнца, в его недрах должно происходить больше низкоэнергичных реакций. (Данное объяснение конфликтует с гелиосейсмологией.)

      Физические гипотезы базируются на разных типах осцилляций нейтрино. То есть нейтрино, испущенное в реакциях на Солнце, должны превратиться в нечто другое, чтобы стать невидимками для земных нейтринных детекторов. Существует несколько гипотез осцилляций нейтрино:

• превращение из электронного нейтрино в мюонное и тау-нейтрино;
• изменение спиральности нейтрино, то есть превращение нейтрино в антинейтрино;
• превращение нейтрино определенного сорта в стерильное нейтрино;
• вакуумные осцилляции;
• распад нейтрино (противоречит наблюдениям по сверхновой 1987А).

      Гипотезы о материальности пространства-времени изменяют само представление о материи, энергии и ее источниках. Н.А. Козырев полагал, что источником звездной энергии является переход причины в следствие, или само время. По Козыреву, время активно, пространство пассивно, а массивные объекты поглощают время и превращают его в энергию.

            Если принять энергетический выход от Солнца за 100%, то, согласно расчету, Солнце потребляет 65.9% энергии за счет квантованного поглощения пространства и лишь 34.1% остается на реакции синтеза в недрах Солнца.

      Сравним это по наблюдениям нейтринного "дефицита". (Теперь дефицит законно  взять в кавычки, поскольку это  уже не дефицит, а доля.)

      От  нуля 0 до I показана доля термоядерных источников на Солнце. От I до 1 показана доля источников энергии квантовой гравитации.

0_____,_____,__^__,__I__,_____,^____,_____,_____,_____,_____1

0_____,_____,_____,__I_^,_____,_____,_____,^____,_____,_____1

0_____,_____,_____,__I__,_^___,_____^_____,_____,_____,_____1

0_____,_____,_____,__I__,____^_____,_____^_____,_____,_____1

0_____,_____,_____,__I__,_____,____^^,_____,_____,_____,_____1

      Знаками ^___^ показаны диапазоны погрешностей наблюдательных данных, полученных соответственно в экспериментах: Homestake, Kamiokande, SAGE, Gallex, SuperKamiokande.

      Наиболее  удовлетворительное совпадение с расчетом дает самый старый и наиболее надежный экперимент Homestake. Превышение по экспериментам Kamiokande, SAGE, Gallex, SuperKamiokande может быть объяснено  фоновыми нейтрино. В последних нейтринных экспериментах было зафиксировано, что результат зависит от времени суток наблюдения. А поскольку течение реакций на Солнце не зависит от того, какой стороной обращена Земля к Солнцу, делаем вывод, что наблюдатели в шахте Камиока ловят приличный уровень фоновых нейтрино, (атмосфера, недра Земли и т.п). Следовательно фактические результаты по наблюдению солнечных нейтрино на этих нейтринных обсерваториях будут ниже на долю фона. 

 
 
 
 
 

СПИСОК  ИСПОЛЬЗОВАННОЙ

ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. Кочаров Г.Е. // Докл. АН СССР. 1964. Т. 156. № 4. С. 781.

2. Бокал Дж. // Нейтринная астрофизика. M., Мир, 1993.

3. Кузьмин В.А. // Журн. эксперим. и теорет. физики. 1965. № 496. С. 1532.