Учёные получили первое экспериментальное подтверждение термоядерных процессов CNO-цикла на Солнце

Учёные коллаборации "Борексино" получили первое экспериментальное подтверждение того, что на Солнце протекают термоядерные реакции так называемого CNO-цикла. За теорию, описывающую такой способ генерации энергии в звёздах, в 1967 году была вручена Нобелевская премия по физике. Теперь существование этого процесса доказано: учёным удалось зарегистрировать неуловимые солнечные нейтрино, которые образуются в ходе реакций CNO-цикла. Результаты данной работы опубликованы в журнале Nature.

"Источником энергии звёзд является термоядерный синтез, в ходе которого водород превращается в гелий. Это может происходить двумя способами: за счет протон-протонной цепочки взаимодействий и реакций CNO-цикла. Назван второй процесс по аббревиатуре трех элементов, участвующих в нем, — углероду (C), азоту (N) и кислороду (O)", — рассказал руководитель Отделения физики нейтрино НИЦ "Курчатовский институт" Михаил Дмитриевич Скорохватов. Считается, что для лёгких звёзд, включая Солнце, основным является первый способ генерации энергии, тогда как для более массивных звёзд — второй. Однако эти процессы не исключают друг друга, и реакции CNO-цикла должны происходить внутри Солнца, пусть и со вкладом всего около 1%.

Чтобы экспериментально доказать, каким образом происходит генерация энергии в звёздах, ученым необходимо было зарегистрировать особые частицы — нейтрино, которые образуются в процессах термоядерного синтеза. Они очень слабо взаимодействуют с веществом, поэтому почти беспрепятственно покидают недра Солнца и, двигаясь с околосветовой скоростью, достигают поверхности Земли всего за восемь с половиной минут. Это делает нейтрино идеальным источником информации о процессах, происходящих внутри звёзд, причем почти в режиме реального времени. Однако особенность проходить сквозь материю, почти не вступая с ней во взаимодействие, очень сильно усложняет регистрацию этих частиц. Для того, чтобы "напасть на след" термоядерных процессов в звёздах, учёные использовали мощный детектор "Борексино". Он оснащен мишенью для нейтрино, состоящей из 280 тонн жидкого сцинтиллятора, и снабжен несколькими слоями защиты от окружающей естественной радиоактивности. Детектор находится в Италии, в подземной лаборатории внутри горного массива Гран-Сассо. Такое расположение обеспечивает защиту от космических лучей.

С помощью уникального оборудования учёные в течение 15 лет собирали данные: из триллионов проходящих через детектор солнечных нейтрино удавалось зарегистрировать только около ста событий в день. Чтобы выделить из них искомые взаимодействия, специалисты использовали теоретические модели и тщательно вычисляли вклады фоновых процессов. В результате участникам коллаборации "Борексино" удалось зарегистрировать неуловимые солнечные нейтрино, возникающие в реакциях CNO-цикла, и вычислить их поток, достигающий Земли. Согласно экспериментальным данным, через каждый квадратный сантиметр поверхности проходит около 700 миллионов таких нейтрино в секунду, что составляет примерно одну сотую общего потока нейтрино от Солнца. Это как раз соответствует теоретическим оценкам вклада CNO-цикла в производимую Солнцем энергию.

"Будущие исследования позволят лучше понимать происходящие в звёздах процессы, в частности, уточнить элементный состав Солнца. И нейтрино будут в этом нашими помощниками", — сообщил Михаил Дмитриевич Скорохватов.

В международной коллаборации "Борексино" проводят исследования более 100 ученых из разных стран, в том числе российские специалисты из НИЦ "Курчатовский институт", НИЦ "Курчатовский институт" — ПИЯФ, ОИЯИ, НИИЯФ имени Д.В. Скобельцына, МГУ имени М.В. Ломоносова. Ранее на детекторе "Борексино" были зарегистрированы нейтрино от реакций протон-протонной цепочки, о чем также выходила статья в журнале Nature.

Справочно:

Термоядерный синтез — это совокупность происходящих при большой температуре и высоком давлении реакций превращения водорода в гелий. Он может происходить двумя способами. Первый, называемый протон-протонной цепочкой взаимодействий, начинается с прямого слияния двух ядер водорода в "тяжелый водород", из которого затем и образуется гелий. Второй способ — реакции CNO-цикла. Здесь   ядра более тяжелых элементов – углерода (C), азота (N) и кислорода (O) – превращаются друг в друга, "расходуя" на это водород, и производя гелий. В процессах термоядерного синтеза генерируется электромагнитное излучение в виде гамма-квантов, а также рождаются особые частицы — нейтрино. Из-за специфических условий внутри Солнца гамма-кванты, рожденные в центре, постепенно отдавая энергию окружающему веществу, достигают поверхности звезды в виде ультрафиолетового излучения и видимого света лишь через сотни тысяч лет. Нейтрино же очень слабо взаимодействуют с веществом, что позволяет им практически беспрепятственно покидать недра Солнца без потери энергии.