Ученые впервые зафиксировали влияние нейтрино на углерод

Новости МирТесен

Изотоп углерод-13 был преобразован в радиоактивный азот-13 под воздействием солнечного нейтрино. Это стало первым непосредственным подтверждением того, что нейтрино участвуют в слабых взаимодействиях.

Нейтрино представляют собой одни из наиболее таинственных частиц, известных современной физике. Эти частицы практически не взаимодействуют с веществом, не имеют электрического заряда, но обладают небольшой массой и участвуют в гравитационном и слабом взаимодействиях. Нейтрино возникают в процессе ядерных реакций, например, в недрах Солнца. Отслеживание этих частиц представляет собой сложную задачу для исследователей — приходится строить детекторы в толще льда, воды либо под землей.

Впервые ученые зафиксировали взаимодействие нейтрино, при котором эти частицы превращают атомы углерода в азот. Наблюдение было сделано внутри гигантского подземного детектора SNO+ в лаборатории SNOLAB. Этот международный исследовательский центр, расположенный в действующей шахте в городе Садбери (Канада), находится на глубине двух километров. Такое расположение экранирует лабораторию от космических лучей и фонового излучения, которые могли бы заглушить слабые сигналы нейтрино. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.

Исследователи искали события, обусловленные слабым взаимодействием, в частности, обратный бета-распад. В ходе этого процесса нейтрино должно было столкнуться с ядром углерода-13, преобразоваться в электрон и вызвать изменение в ядре, в результате чего один из нейтронов превратился бы в протон. Это привело бы к образованию ядра азота. Изотоп азота-13 характеризуется относительно небольшим периодом полураспада, составляющим около 10 минут.

Ученые обнаружили подобные трансформации, используя метод «запаздывающих совпадений». Для этого они исследовали два взаимосвязанных сигнала: вспышку от удара нейтрино по ядру углерода-13, а затем, несколько минут спустя, вторую вспышку от последующего радиоактивного распада азота-13. Наличие обоих вспышек позволяет отделять реальные взаимодействия нейтрино от фонового шума.

В период с мая 2022 года по июнь 2024 года, согласно анализу данных детектора, было зарегистрировано 5,6 зарегистрированных событий за 231 день. Ожидалось, что нейтрино вызовут около 4,7 подобных событий за рассматриваемый промежуток времени.

«Наблюдение этого взаимодействия стало выдающимся достижением. Удалось зафиксировать взаимодействие нужного изотопа углерода с нейтрино, образовавшимися в ядре Солнца и преодолевшими значительные расстояния до нашего детектора, несмотря на редкость этого изотопа», — сообщил Гулливер Милтон ( Gulliver Milton), первый автор статьи.

Эксперимент SNO+ использовал инфраструктуру установки SNO, которая показала, что нейтрино осциллируют между тремя типами — электронным, мюонным и тау-нейтрино — на пути от Солнца к Земле. Руководитель эксперимента SNO и соавтор статьи Артур Б. Макдональд (Arthur B. McDonald) — он — один из лауреатов Нобелевской премии по физике 2015 года за вклад в решение вопроса о солнечных нейтрино.