Зазирнути всередину сонця

Те, що сонце грає невід’ємну роль у наших життях, люди знали споконвіку. Сонце — язичницький бог, сонце — пестливе звертання до коханої людини, сонце зображають діти в своїх перших малюнках. Та чи знаємо ми насправді, що воно таке — сонце? Ми звикли до сонця як до невеликої цятки на небі. Але давайте замислимося: якщо відійти від багаття на п’ять метрів, від нього вже зовсім не гріє; а Сонце, що на відстані 150 мільйонів кілометрів від нас, добре так пече…

Це тому що наша рідна зірка — це гігантський ядерний реактор. Усередині нього під тиском сто мільярдів атмосфер, при температурі 15 мільйонів градусів Цельсія водень перетворюється в гелій. Але зазирнути всередину цього реактора не так і просто: центр Сонця настільки “густий”, що ніщо не може звідти вирватися. Навіть світлу потрібні тисячі століть, тільки щоб дістатися від центру до поверхні. То як же ми можемо зазирнути всередину Сонця?

На допомогу приходять містичні невловимі нейтрино. Для цих швидких легких частинок Сонце, вважай, прозоре. Вони вилітають назовні за три секунди, та через вісім хвилин вже тут, на Землі. Ба більше — їх багато. Вони утворюються в кожному ланцюжку, що перетворює водень у гелій, тому щосекунди через ніготь на вашому великому пальці пролітає шістдесят мільярдів нейтрино. Та не лякайтеся! Вам від цього нічого не станеться, вони пролітають крізь вас так само, як і крізь Сонце — нічого не торкаючи.

Гаразд, нічого — це сильно сказано. Тіло людини за об’ємом невелике, тому шанс, що нейтрино дійсно щось у ньому зачепить — один на життя. Та якщо це й станеться, ви нічого не відчуєте: хіба дереву щось станеться, якщо об нього вдариться порошинка? От якщо побудувати великий детектор, повний особливого хімічного розчину (так званий сцинтилятор) та чутливих сенсорів…

Так от фізики, інженери та програмісти, які хотіли будь що зазирнути всередину Сонця, зібралися та й побудували такий детектор. Він називається Borexino (Борексіно). Його мета — зловити ці особливі нейтрино, що прилітають до Землі від Сонця, та розпитати в них, що ж усередині нашої зірки.

Після десятиліть кропіткої роботи, їх мрія здійснилася! Нарешті ми не тільки підтвердили існування цих особливих нейтрино, що утворюються в Сонці (так звані pp, pep, Be7 та B8 нейтрино з протонного ланцюжка), а й поміряли їх спектр з високою точністю. Ці результати були опубліковані минулого року в статті в престижному журналі “Nature“. Яким же чином це вдалося здійснити, в чому секрет успіху Borexino?

Цей експеримент проводиться у найбільшій підземній лабораторії світу LNGS в горах Гран Сассо в центральній Італії. Якби детектор знаходився на поверхні, ми не змогли би побачити нейтрино через “шум”, створений енергетичними частинками, якими бомбардує Землю космос. Ці гори захищають детектор від них — щиро їм дякуємо! Але найважливіша особливість Borexino — це не захисні гори, а унікальна чистота детектора. Неймовірні зусилля пішли на те, щоб очистити детектор від радіоактивних елементів. Результат — найчистіший сцинтиляційний детектор у світі! З таким чудовим інструментом та мізками більш ніж ста науковців з різних куточків Європи та Штатів Сонце від нас не сховається.

Що ж далі? Кінець історії, хепі енд, усі нейтрино пораховані, Сонце — більше не таємниця для нас? Зовсім ні… Крім “звичайного” способу перетворити водень у гелій через протонний ланцюжок, існує другий, більш складний — вуглецево-азотний цикл. Він можливий, тільки якщо в Сонці з моменту його виникнення був вуглець (C), азот (N) та кисень (O), тому його називають у тому числі CNO-циклом. Сонце — відносно легка зірка, тому якщо ці елементи в ньому взагалі існують, CNO-цикл виробляє менше ніж 1% всієї енергії. Таке поміряти — нелегка робота. Чи по зубах це нашому Borexino? Час покаже!

Джерело:

• The Borexino Collaboration. Comprehensive measurement of pp-chain solar neutrinos // Nature, v. 562, pp. 505–510 (2018) DOI:10.1038/s41586-018-0624-y

Від редакції: авторка цього тексту Марія Редчук працює в Інституті ядерної фізики Юліхського дослідницького центру (Юліх, Німеччина). Разом з іншими дослідниками вона входить до міжнародної колаборації Borexino.

Серед членів колаборації та співавторів статті також провідний науковий співробітник відділу фізики лептонів Інституту ядерних досліджень НАН України Владислав Кобичев.