Основываясь на современных представлениях об эволюции
Солнца и составе солнечного вещества, можно утверждать, что 98% солнечной
энергии генерируется в результате реакций pp - цепочки, а CNO-цикл поставляет
лишь 2% солнечной энергии.
Зная величину энергии, выделяющейся в одном акте образования
ядра 4He (около 25 МэВ), и величину полной энергии, излучаемой с
поверхности Солнца в секунду - солнечную светимость L
= 2.4·1039 МэВ/с, можно оценить поток нейтрино Ф, падающий на
поверхность Земли:
L ~ 1011 нейтрино/см2·с
где R - расстояние от Земли до Солнца.
Рис. 1. Рассчитанный спектр солнечных нейтрино. Показаны также пороги регистрации нейтрино различными методами |
Рассчитанный спектр солнечных нейтрино показан на рис. 1. Видно, что основной выход нейтрино обусловлен реакцией
p + p → d + e+ + νe .
Большинство нейтрино имеет энергию ниже 1 МэВ. Это обстоятельство существенно с точки зрения регистрации нейтрино. Для регистрации солнечных и космических нейтрино используются три основных метода. Различные методы регистрации нейтрино имеют различные энергетические пороги.
Хлорный детектор. В 1946 г. Б. Понтекорво предложил использовать для детектирования нейтрино реакцию:
νe + 37Cl → e- + 37Ar .
Изотоп 37Ar, образующийся в результате захвата нейтрино, является радиоактивным и переходит в 37Cl путем e- - захвата. Период полураспада 37Ar составляет 35 дней. Порог регистрации нейтрино хлорным методом составляет 0.814 МэВ, т. е. хлорный метод не регистрирует нейтрино, образующиеся в реакции
p + p → d + e+ + νe,
дающей основной выход солнечных нейтрино. Хлорный детектор регистрирует, главным образом, самые энергичные “борные” нейтрино, образующиеся на Солнце в реакции
8B → 8Be* + e+ + νe.
Рис. 2. Установка Дэвиса |
Для регистрации солнечных нейтрино Дэвисом был сконструирован детектор (рис. 2), основу которого составляет бак, заполненный 380 тыс. литров раствора четыреххлористого углерода. Атомы 37Ar, образующиеся в результате захвата нейтрино, извлекаются из жидкости путем продувания через неё газообразного гелия. Эффективность извлечения 37Ar составляет около 90%. Далее 37Ar поглощается с помощью угольных фильтров, охлажденных до температуры жидкого азота, и отделяется от гелия. После соответствующей химической очистки образцы с аргоном помещаются в специальный низкофоновый детектор, в котором регистрируется β-распад 37Ar. Наблюдаются рентгеновские фотоны с энергией 2.8 кэВ, сопровождающие e-захват.
Галлиевый детектор. Большие надежды связаны с построением детекторов на основе изотопа 71Ga. Для регистрации нейтрино в этом детекторе используется реакция
71Ga + νe → 71Ge + e−.
Поглощение нейтрино приводит к образованию радиоактивного изотопа 71Ge (T1/2 = 11.4 дн). Галлиевый детектор имеет очень низкий порог регистрации нейтрино (233 кэВ) и поэтому он чувствителен к основному потоку солнечных нейтрино из реакции
p + p → d + e+ + νe.
Детектор, содержащий 60 тонн галлия, позволит регистрировать одно "протонное" нейтрино в сутки.
Метод регистрации нейтрино с помощью черенковского
излучения. В этом методе, который используется в детекторах в
KAMIOKANDE и SUPERKAMIOKANDE
(Япония) детектируется черенковское излучение, образующееся в процессе
нейтринно-электронного рассеяния. Порог регистрации нейтрино, обусловленный
фоном, составляет 7.5 МэВ. Таким образом, эти детекторы чувствительны лишь к
части высокоэнергичных нейтрино, образующихся в результате распада
8B 8Be*
+ νe + e+. Однако этот
тип детектора имеет существенное преимущество перед двумя предыдущими, так как с
его помощью может быть определено направление движения нейтрино.
Нейтринная
обсерватория в Садбери (Онтарио, Канада) (Sudbury Neutrino Observatory (SNO))
была построена в шахте на глубине 2070 метров. SNO - черенковский детектор
на тяжелой воде. 1000 тонн сверхчистой тяжелой воды (D2O) залито в
акриловый сосуд диаметром 12 метров. Черенковсое излучение регистрируется 9600
фотоумножителями, установленными на геодезической сфере диаметром 17 метров,
окружающей сосуд с тяжелой водой. Детектор погужен в сверхчистую обычную воду,
которая находится в бочкообразной полости диаметром 22 метра и высотой 34 метра,
выкопанной в скале. За сутки детектор регистрирует около 10 нейтринный событий.
Ожидаемый поток нейтрино рассчитывается, исходя из определенной Солнечной модели. В случае экспериментов Дэвиса этот поток пересчитывается в скорость захвата нейтрино в резервуаре емкостью 380 тыс. литров. Для характеристики скорости захвата вводится специальная единица СЕН - солнечная единица нейтрино.
1 СЕН = 10-36 захватов нейтрино в секунду на атом.
Основным источником фона являются нейтрино, генерируемые
космическими лучами, и нейтрино от радиоактивного распада в скальных породах.
В результате экспериментов Дэвиса было показано, что Солнце
является источником нейтрино, т.е. на Солнце протекают ядерные реакции. Однако
наблюдаемый поток солнечных нейтрино оказался примерно в 3 раза меньше, чем
предсказывали стандартные модели Солнца. Экспериментально измеренная скорость
образования аргона - 2.2 + 0.4 СЕН. Из общего значения, предсказываемого
теорией (7.8 СЕН) 6.3 СЕН обусловлены распадом
8B → 8Be* + e+ + νe.
Детекторы KAMIOKANDE регистрируют ~ 50% предсказанного потока солнечных нейтрино. Галлиевые детекторы регистрируют в основном высоко-энергетическую часть нейтрино, образующихся в pp-цепочке. Они также регистрируют около 50% от предсказанного теорией потока солнечных нейтрино.
В нейтринной обсерватории Садбери (SNO) нейтринные потоки "борных" нейтрино детектировались с помощью реакций:
νe + d
→ p + p + e− (CC)
νx + d
→ p + n + νx
(NC)
νx + e−
→ νx + e− (ES).
Первая реакция (СС), протекающая с участием заряженных токов, чувствительна только к электронным нейтрино (νe), Вторая (NC), протекающая с участием нейтральных токов чувствительна ко всем нейтрино ( x – e, μ, τ). Упругое рассеяние (ES) чувствительно ко всем ароматам нейтрино, но к мюонным и тау в меньшей степени. Таким образом, если нейтрино могут переходить из одного аромата в другой, поток нейтрино, измеренный с помощью реакции (СС) FCC(e) должен быть меньше, чем поток, измеренный с помощью реакции (ES) FES(x)
FCC(νe) < FES(νx).
Экспериментальные данные, полученные в Садбери после первого
этапа экспериментов следующие:
FCC(νe) = 1.75 +
0.07 ·106 см-2 с-1,
FES(νx) = 2.39 +
0.34 ·106 см-2 с-1.
(Здесь указаны только статистические погрешности).
Оценка полного потока борных солнечных нейтрино 5.44 + 0.99 ·106
см-2 с-1 находится в хорошем согласии с моделями Солнца.
Оценка суммы масс электронного, мюонного и тау-нейтрино находятся в пределах
0.05-8.4 эВ.
Результаты эксперимента, выполненного в нейтринной
обсерватории Садбери интерпретируются как ясное свидетельство в пользу
нейтринных осцилляций, которые происходят в случае, если массы нейтрино не равны
нулю.
Подробности в Потоки солнечных нейтрино и нейтринные осцилляции