Исследователи из Канады впервые зафиксировали уникальный процесс: солнечное нейтрино преобразовало редкий изотоп углерода в нестабильный изотоп азота. На практике это воплощение одной из наименее энергозатратных ядерных реакций, существующих в природе. Подобное можно назвать научной алхимией — когда практически неуловимая частица перестраивает атомное ядро, действуя как естественный ускоритель частиц, роль которого выполняет Солнце.
Источник изображений: SNO+
Данный эксперимент был осуществлён научной коллаборацией SNO+. Детектор нейтрино размещён в подземной лаборатории SNOLAB в Канаде на двухкилометровой глубине. Толстый слой породы над установкой отфильтровывает подавляющее большинство других элементарных частиц, позволяя достигать датчика в основном лишь нейтрино. Эти частицы способны проходить сквозь всю нашу планету, и даже через свинцовую стену толщиной в световой год (в таком барьере шанс столкновения нейтрино с атомом свинца составляет лишь 50%).
Для учёных представлял особый интерес именно процесс регистрации солнечных нейтрино. Это относительно проще, поскольку они обладают меньшей энергией по сравнению с атмосферными или космическими нейтрино, которые рождаются при взрывах сверхновых и в других экстремальных событиях во Вселенной. Детектор SNOLAB представляет собой сферический резервуар, заполненный примерно 800 тоннами жидкого сцинтиллятора — линейного алкилбензола. В этом растворе естественным образом содержится около 1,1% изотопа углерод-13 (13C). Вероятность того, что слабовзаимодействующая частица столкнётся именно с атомом 13C, крайне мала, однако исследователям удалось зарегистрировать несколько подобных случаев.
При взаимодействии с ядром 13C, которое состоит из шести протонов и семи нейтронов, нейтрино выбивает из одного нейтрона электрон, превращая его в протон. Это событие фиксируется фотосенсорами по слабому свечению сцинтиллятора. В результате такой трансмутации ядро превращается в атом изотопа азота-13 (13N) с семью протонами и шестью нейтронами. Изотоп 13N нестабилен и распадается примерно через 10 минут, испуская позитрон, что также вызывает свечение сцинтиллятора и регистрируется детектором. Две характерные вспышки света в определённом временном промежутке — это и есть свидетельство превращения 13C в 13N.
На протяжении 231 дня наблюдений, проводившихся с мая 2022 по июнь 2023 года, было зафиксировано 60 событий-кандидатов. Статистическая обработка данных позволила выделить примерно 5,6 события, обусловленных непосредственно нейтрино, что хорошо согласуется с теоретически предсказанным значением в 4,7 случая. Данное измерение является наиболее низкоэнергетическим прямым определением сечения для подобной реакции. Полученный результат подтверждает теоретические модели, описывающие слабые взаимодействия нейтрино в области низких энергий, и открывает возможность использовать солнечные нейтрино в качестве естественного «источника» для исследования редких ядерных процессов, внося тем самым новый вклад в развитие фундаментальной физики.
