Редкое событие, которое долго считалось почти недостижимым

Учёным удалось напрямую зафиксировать процесс, который ещё недавно существовал лишь в теории: солнечное нейтрино изменило состав атомного ядра, превратив изотоп углерода в азот. Речь идёт об одной из самых «мягких» по энергии ядерных реакций, которые вообще возможны в природе. По сути, была продемонстрирована настоящая физическая алхимия — перестройка ядра под действием почти неуловимой элементарной частицы.

Где и как проходил эксперимент

Наблюдение выполнено международной коллаборацией SNO+ в подземной лаборатории SNOLAB (Канада). Детектор расположен на глубине около двух километров, где массив горных пород экранирует поток посторонних частиц. В таких условиях до установки практически беспрепятственно доходят лишь нейтрино — частицы, способные пролетать сквозь планеты и даже гипотетические стены из свинца толщиной в световой год.

Основой детектора служит сферический резервуар, заполненный примерно 800 тоннами жидкого сцинтиллятора на основе линейного алкилбензола. В этом веществе естественным образом присутствует редкий изотоп углерода — углерод-13, доля которого составляет около 1,1 процента.

Почему именно солнечные нейтрино

Для исследования принципиально важно было использовать нейтрино, приходящие от Солнца. Они обладают сравнительно низкой энергией — значительно меньшей, чем нейтрино космического происхождения или частицы, рождённые при взрывах сверхновых. Именно поэтому подобные реакции крайне трудно зарегистрировать: вероятность взаимодействия нейтрино с конкретным ядром чрезвычайно мала.

Тем не менее, даже при таких условиях детектор смог зафиксировать несколько ключевых событий.

Механизм трансмутации ядра

При столкновении солнечного нейтрино с ядром углерода-13 происходит слабое взаимодействие. Один из нейтронов внутри ядра превращается в протон с испусканием электрона. Этот момент сопровождается слабым вспышкообразным свечением сцинтиллятора, которое и регистрируют фотодатчики.

В результате углерод-13 трансформируется в азот-13 — нестабильный изотоп с семью протонами и шестью нейтронами. Спустя примерно десять минут он распадается, испуская позитрон. Этот второй процесс также даёт характерный световой сигнал. Последовательность из двух вспышек с определённым временным интервалом служит надёжным «подписью» произошедшей трансмутации.

Результаты наблюдений

За период наблюдений продолжительностью 231 день (с мая 2022 по июнь 2023 года) было зафиксировано 60 событий-кандидатов. Детальный статистический анализ показал, что примерно 5–6 из них с высокой вероятностью вызваны именно солнечными нейтрино. Это хорошо согласуется с теоретическим прогнозом, который предсказывал около 4–5 подобных событий.

Важно отметить, что это самое низкоэнергетическое прямое измерение сечения такой ядерной реакции, когда-либо выполненное экспериментально.

Почему это открытие важно

Полученные данные подтверждают современные модели слабого взаимодействия нейтрино при низких энергиях. Более того, они демонстрируют, что солнечные нейтрино можно рассматривать как естественный, стабильный и «чистый» источник частиц для изучения редчайших ядерных процессов.

Фактически Солнце выступает в роли природного ускорителя частиц, позволяя исследовать фундаментальные свойства материи там, где искусственные установки сталкиваются с техническими пределами. Это открытие делает ещё один шаг к более глубокому пониманию структуры атомных ядер и поведения элементарных частиц — в самой тонкой и труднодоступной области физики.