Солнечное нейтрино впервые превратило изотоп углерода-13 в радиоактивный азот-13 — это стало первым прямым подтверждением участия нейтрино в слабом взаимодействии.

Загадочные частицы Вселенной

Нейтрино — одни из самых таинственных частиц в современной физике. Они практически не взаимодействуют с материей, не имеют электрического заряда, обладают очень малой массой и участвуют только в гравитационном и слабом взаимодействиях. Нейтрино рождаются в ходе ядерных реакций, например, в недрах Солнца. Из-за их неуловимости для их обнаружения требуются специальные детекторы, которые размещают глубоко под землей, в толще воды или льда, чтобы защитить от космического и фонового излучения.

Прорыв в наблюдении нейтрино

Международная команда ученых впервые зафиксировала, как солнечные нейтрино превращают атомы углерода в азот внутри гигантского подземного детектора SNO+, расположенного в лаборатории SNOLAB на глубине двух километров в шахте города Садбери (Канада). Такое расположение позволяет эффективно экранировать лабораторию от внешних помех, которые могли бы заглушить слабые сигналы нейтрино. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Как происходило наблюдение

Физики искали события, связанные со слабым взаимодействием — обратный бета-распад. В этом процессе нейтрино сталкивается с ядром углерода-13, превращается в электрон и вызывает превращение одного из нейтронов в протон, в результате чего образуется азот-13. Этот изотоп радиоактивен и существует примерно 10 минут.

Для фиксации таких редких событий ученые использовали метод «запаздывающих совпадений»: они отслеживали две связанные вспышки — первую от удара нейтрино по ядру углерода-13, а вторую, спустя несколько минут, от радиоактивного распада образовавшегося азота-13. Совпадение этих двух сигналов позволяет отличить истинные взаимодействия нейтрино от фоновых шумов.

Результаты эксперимента

Анализ данных, собранных с мая 2022 по июнь 2024 года, выявил 5,6 наблюдаемых события за 231 день. Ожидалось, что за этот период нейтрино вызовут примерно 4,7 подобных события, что подтверждает теоретические расчеты.

Значение открытия

«Фиксация этого взаимодействия — экстраординарное достижение. Несмотря на редкость нужного изотопа углерода, нам удалось наблюдать его взаимодействие с нейтрино, которые родились в ядре Солнца и преодолели огромные расстояния, чтобы достичь нашего детектора», — отметил первый автор статьи Гулливер Милтон.

История эксперимента SNO+

Эксперимент SNO+ использует инфраструктуру установки SNO, которая ранее доказала, что нейтрино способны осциллировать между тремя типами — электронным, мюонным и тау-нейтрино — на пути от Солнца к Земле. Руководитель эксперимента SNO и соавтор статьи Артур Б. Макдональд — лауреат Нобелевской премии по физике 2015 года за решение проблемы солнечных нейтрино.