Проекты XXI века

Нейтрино и энергетика Солнца

Впервые в истории изучения Солнца излучаемая им энергия измерена непосредственно в процессе генерации. Об этом объявил международный коллектив ученых в статье, опубликованной в престижном междисциплинарном научном журнале Nature. Данные получены на детекторе Борексино.

Этот важный вывод следует из измерения потоков нейтрино, сопровождающих ядерные процессы в Солнце. Нейтрино, испускаемые в ядерных реакциях в центре Солнца, двигаясь со скоростью света за несколько секунд беспрепятственно достигают солнечной поверхности, и еще через восемь минут могут быть зарегистрированы на Земле. До настоящего времени все измерения солнечной энергии основывались на регистрации излучения солнечной фотосферы, т.е. знакомого всем солнечного света, который освещает наше небо и согревает Землю. Эта энергия выделяется в тех же ядерных реакциях, но произошедших сотни тысяч лет тому назад, так как такое огромное время требуется, чтобы энергия, сгенерированная в центре Солнца, достигла его поверхности за счет медленного процесса диффузии в солнечном веществе.

Сравнение результатов измерения на детекторе Борексино с мощностью солнечного излучения подтверждает стабильность энерговыделения нашего светила на временной шкале в несколько сотен тысяч лет.

Детектор Борексино, установленный в национальной лаборатории Гран Сассо Национального института ядерной физики (INFN) в центральной Италии, смог измерить поток солнечных нейтрино от реакции слияния двух ядер водорода с образованием ядра дейтерия. Эта реакция, называемая pp, ответственна за 99,77 процентов всей солнечной энергии, и до сих пор ни один эксперимент не наблюдал этот поток напрямую. Ранее коллаборация Борексино опубликовала результаты измерения потоков нейтрино из вторичных солнечных реакций, дочерних по отношению к реакции рр, и дающих неизмеримо меньший вклад в полную солнечную энергию. Тем не менее проведенные исследования имели огромное самостоятельное научное значение, ключевое для понимания фундаментальных свойств нейтрино. Сама природа нейтрино, которая позволяет им ускользать из центра Солнца, создает чрезвычайно сложные проблемы при их детектировании, связанные с необходимостью создания очень больших детекторов для регистрации хотя бы нескольких событий за разумное время. Регистрация рр-нейтрино является даже более трудной задачей из-за малой энергии, самой низкой среди солнечных нейтрино, и лежащей в области высокого природного фона. В эксперименте Борексино был достигнут беспрецедентно низкий уровень фона естественной радиации, который дает возможность для измерений потоков нейтрино с малыми энергиями. Подобная чувствительность является уникальной, проект Борексино на протяжении ближайших лет останется в авангарде исследований благодаря высокотехнологичным решениям, использованным при его создании. На сегодня детектор Борексино исследовал не только солнечные нейтрино, но и геонейтрино, производимые в толще Земли в процессах распада естественных долгоживущих радиоактивных изотопов. Планируются чрезвычайно интересные измерения с искусственными радиоактивными источниками нейтрино.

Результаты получены при активном участии группы ученых из ЛЯП ОИЯИ, участвующих в эксперименте со стадии проекта. Международная коллаборация Борексино включает также научно-исследовательские институты из Италии, США, Германии, России, Польши и Франции. С российской стороны в коллаборации, помимо ОИЯИ, участвуют ученые Национального исследовательского центра "Курчатовский институт", Петербургского института ядерной физики имени В.П.Константинова, НИИ ядерной физики имени Д.В.Скобельцына Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова, а также ведущего вуза - Национального исследовательского ядерного университета "Московский инженерно-физический институт". Ученые планируют продолжать набор данных на протяжении следующих четырех лет, улучшая уже сделанные важные измерения как в области астрофизики, так и физики элементарных частиц.

Участие дубненской группы в получении результатов

Возможность измерения потока солнечных нейтрино на большом жидкосцинтилляционном детекторе мы (дубненская группа) изучали задолго до запуска детектора Борексино. Результаты теоретических исследований были опубликованы в журнале "Ядерная физика" и представлялись на конференции NANP в Дубне летом 2003 года. Мы рассматривали сравнительно маленький детектор (с активной массой "всего" 20 тонн в сравнении с 300-тонным Борексино) с увеличенным светосбором и продемонстрировали возможность измерения потока солнечных нейтрино с приемлемой точностью на таком детекторе. Полномасштабный детектор Борексино тогда казался неподходящим инструментом из-за ожидаемого малого световыхода. Сразу после запуска Борексино в 2007 году стало ясно, что световыход его сцинтиллятора фактически в два раза превышает планируемый, при этом чистота сцинтиллятора по ряду показателей также оказалась намного выше ожидаемого. На совещании коллаборации в мае 2007 года (то есть всего лишь через несколько недель после запуска) я представлял первый доклад по анализу данных, в котором в том числе обсуждалась и возможность измерения потока pp-нейтрино. Доклад был встречен коллегами с энтузиазмом, но до практического осуществления идеи пришлось ждать 7 лет.

Анализ данных в коллаборации ведется в составе рабочих групп. Работу группы по анализу низкоэнергетической части солнечного спектра (pp-нейтрино) я возглавляю с момента ее образования. В группу входят два молодых физика из Дубны (Кирилл Фоменко и Денис Кораблев), два аспиранта из Принстона (оба защитили PhD - аналог нашей кандидатской - по результатам нашей работы) и четыре физика-женщины из миланского отделения Национального института ядерной физики и миланского университета. Группа оказалась очень работоспособной, особенно хотел бы отметить работу коллег-итальянок. Интенсивная работа велась почти два года.

Практически каждую неделю по скайпу организовывалось рабочее мини-совещание по итогам работы, хотя было очень непросто выбрать устраивающий всех день недели и время из-за разности часовых поясов в РФ, США и Италии. Использовался также любой случай для организации совещаний "вживую". Как правило, "живые" совещания сопровождали рабочие совещания коллаборации, но несколько раз мы собирались исключительно для совместной работы на протяжении 5-7 дней. Одно из таких рабочих совещаний прошло в Дубне в январе прошлого года, встречались мы и в Принстонском университете, и в Милане. В отличие от классических рабочих совещаний, на которых заслушиваются и обсуждаются доклады по уже проделанной работе, мы старались использовать это время не только для решения накопившихся проблем, но и для создания задела на ближайший период. Такое интенсивное общение очень помогало поддерживать необходимый ритм работы, каждый член группы был вовлечен не только в свой маленький сектор работы, но и хорошо понимал задачи, стоящие перед другими членами группы. В этом смысле дубненское совещание, а оно было у нас одним из первых, оказалось очень плодотворным - мы выработали общие подходы к анализу данных и распределили работу, был задан общий план работы, который фактически не менялся вплоть до получения окончательного результата.

Олег СМИРНОВ

Справка

Nature - один из самых авторитетных научных журналов. Публикует исследования в широком спектре разделов науки, в основном естественно-научной тематики.

Журнал ориентирован на научных работников и состоит большей частью из оригинальных исследований. Публикации в Nature престижны, так как авторы получают широкую известность за пределами своей области науки, что, в свою очередь, помогает получать финансирование для продолжения исследований. Импакт-фактор Nature в 2012 году был равен 38,597, то есть в среднем статья из журнала цитируется почти 39 раз за 2 года после публикации. В 2009 году Nature возглавил cписок 100 самых влиятельных журналов биологии и медицины за последние 100 лет и был назван Журналом Столетия. Что касается астрофизики - публикации в этой области чрезвычайно редки, общим счетом около 10 за прошлый год, поэтому опубликовать статью в этой области еще труднее.

Критерии отбора и условия публикации статей в Nature чрезвычайно жестки, в чем мы могли убедиться еще на стадии приема статьи на рецензию. Большинство направляемых в Nature статей отвергаются еще до стадии рецензирования, поскольку результаты исследований, описанные в предлагаемой к публикации статье, должны представлять, по мнению редактора, существенное продвижение в той или иной области науки.