Солнечное нейтрино

Солнечные нейтрино ( протон-протонная цепочка ) в Стандартной модели Солнца

Электронные нейтрино производятся на Солнце в результате ядерного синтеза . Солнечные нейтрино составляют самый большой поток нейтрино от естественных источников, наблюдаемых на Земле, по сравнению, например, с атмосферными нейтрино или диффузным нейтринным фоном сверхновой . ^[1]

Производственные механизмы [ править ]

Генерация солнечного нейтрино

Солнечные нейтрино образуются в ядре Солнца в результате различных реакций ядерного синтеза , каждая из которых происходит с определенной скоростью и приводит к собственному спектру энергий нейтрино. Подробности наиболее заметных из этих реакций описаны ниже.

Основной вклад вносит протон-протонная реакция . Реакция такая:

${\ displaystyle {\ text {p}} + {\ text {p}} \ to {\ text {d}} + {\ text {e}} ^ {+} + \ operatorname {\ nu} _ {\ text {e}}}$

или словами:

два протона дейтрон + позитрон + электронное нейтрино .${\ displaystyle \ to}$

Из всех солнечных нейтрино приблизительно 91% образуются в результате этой реакции. ^[2] Как показано на рисунке, озаглавленном «Солнечные нейтрино (протон-протонная цепочка) в Стандартной модели Солнца», дейтрон будет сливаться с другим протоном, образуя ядро ³ He и гамма-луч. Эту реакцию можно увидеть как:

${\ displaystyle {\ text {d}} + {\ text {p}} \ to {^ {3}} {\ text {He}} + \ operatorname {\ gamma}}$

Изотоп ⁴ He можно получить, используя ³ He в предыдущей реакции, которая показана ниже.

${\ displaystyle {^ {3}} {\ text {He}} + {^ {3}} {\ text {He}} \ to {^ {4}} {\ text {He}} + 2 \, { \ текст {p}}}$

Теперь, когда в окружающей среде находятся гелий-3 и гелий-4 , одно ядро ​​гелия каждого веса может сливаться с образованием бериллия:

${\ displaystyle {^ {3}} {\ text {He}} + {^ {4}} {\ text {He}} \ to {^ {7}} {\ text {Be}} + \ operatorname {\ гамма}}$

На этой стадии бериллий-7 может следовать двумя разными путями: он мог бы захватить электрон и произвести более стабильное ядро лития-7 и электронное нейтрино, или, альтернативно, он мог бы захватить один из многочисленных протонов, который создал бы бор-8 . Первая реакция через литий-7:

${\ displaystyle {^ {7}} {\ text {Be}} + {\ text {e}} ^ {-} \ to {^ {7}} {\ text {Li}} + \ operatorname {\ nu} _ {\ text {e}}}$

Эта реакция с образованием лития производит примерно 7% солнечных нейтрино. ^[2] Получающийся в результате литий-7 позже соединяется с протоном, чтобы произвести два ядра гелия-4. Альтернативной реакцией является захват протона, при котором образуется бор-8, который затем бета ⁺ распадается на бериллий-8, как показано ниже:

${\ displaystyle {^ {7}} {\ text {Be}} + {\ text {p}} \ to {^ {8}} {\ text {B}} + \ operatorname {\ gamma}}$

${\ displaystyle {^ {8}} {\ text {B}} \ to {^ {8}} {\ text {Be}} {^ {*}} + {\ text {e}} ^ {+} + \ operatorname {\ nu} _ {\ text {e}}}$

Эта альтернативная реакция с образованием бора производит около 0,02% солнечных нейтрино; Хотя эти редкие солнечные нейтрино настолько малы, что ими обычно пренебрегают, они выделяются своей более высокой средней энергией. Звездочка (*) на ядре бериллия-8 указывает на то, что оно находится в возбужденном нестабильном состоянии. Возбужденное ядро ​​бериллия-8 затем распадается на два ядра гелия-4: ^[3]

${\displaystyle {^{8}}{\text{Be}}{^{*}}\to {^{4}}{\text{He}}+{^{4}}{\text{He}}}$

Наблюдаемые данные [ править ]

Наибольшее количество солнечных нейтрино - прямые продукты протон-протонной реакции (высокая синяя кривая слева). У них низкая энергия - всего до 400 кэВ. Есть несколько других важных механизмов производства с энергиями до 18 МэВ. ^[4]

Самый высокий поток солнечных нейтрино возникает непосредственно за счет протон-протонного взаимодействия и имеет низкую энергию, до 400 кэВ. Есть также несколько других важных механизмов производства с энергиями до 18 МэВ. ^[4] Поток нейтрино с Земли составляет около 7 · 10 ¹⁰  частиц · см ⁻² · с ⁻¹ . ^[5] Число нейтрино можно с большой уверенностью предсказать с помощью Стандартной солнечной модели . Однако количество электронных нейтрино, зарегистрированных на Земле, было всего лишь1/3предсказанного числа, и это было известно как « проблема солнечных нейтрино ».

Отсутствие электронных нейтрино и тот факт, что это один из трех известных типов нейтрино, в конечном итоге подтолкнули к идее осцилляции нейтрино и того факта, что нейтрино могут менять аромат. Это было подтверждено, когда был измерен полный поток солнечных нейтрино всех типов, и он соответствовал более ранним предсказаниям ожидаемого потока только электронных нейтрино, как это было замечено нейтринной обсерваторией Садбери.. Тот факт, что электронные нейтрино могут спонтанно изменяться при полете через пустое пространство, также подтвердил, что нейтрино должны иметь массу. Солнечные модели дополнительно предсказывают место в ядре Солнца, откуда должны возникать солнечные нейтрино, в зависимости от реакции ядерного синтеза, которая приводит к их образованию. Будущие детекторы нейтрино смогут определять направление движения этих нейтрино с достаточной точностью, чтобы измерить этот эффект. ^[6]

Энергетический спектр солнечных нейтрино также предсказывается солнечными моделями. ^[7] Очень важно знать этот энергетический спектр, потому что разные эксперименты по обнаружению нейтрино чувствительны к разным диапазонам энергий нейтрино. В эксперименте « Хоумстейк» использовался хлор, и он был наиболее чувствителен к солнечным нейтрино, возникающим при распаде изотопа бериллия ⁷ Be. Садбери нейтринная обсерватория является наиболее чувствительной к солнечным нейтрино от ⁸ В. детекторов, использование галлийнаиболее чувствительны к солнечным нейтрино, образующимся в процессе протон-протонной цепной реакции, однако они не смогли наблюдать этот вклад отдельно. Наблюдение нейтрино от основной реакции этой цепи, протон-протонного синтеза в дейтерии, было впервые осуществлено компанией Borexino в 2014 году. В 2012 году это же сотрудничество сообщило об обнаружении низкоэнергетических нейтрино для протон-электрон-протонной ( pep реакция ), которая производит 1 из 400 ядер дейтерия на Солнце. ^{[8] [9]} Детектор содержал 100 метрических тонн жидкости и наблюдал в среднем 3 события каждый день (из-за образования 11 C ) в результате этой относительно необычной термоядерной реакции.

Обратите внимание, что Borexino измерял нейтрино нескольких энергий; таким образом они впервые экспериментально продемонстрировали характер осцилляций солнечных нейтрино, предсказываемых теорией. Нейтрино могут вызывать ядерные реакции. Глядя на древние руды разного возраста, которые подвергались воздействию солнечных нейтрино в течение геологического времени, можно будет исследовать светимость Солнца с течением времени ^[10], которая, согласно Стандартной солнечной модели , изменилась на протяжении эонов. поскольку (в настоящее время) инертный побочный продукт гелий накопился в его ядре.

См. Также [ править ]

• Колебания нейтрино
• Проблема солнечных нейтрино
• Детектор нейтрино
• Колебания нейтральной частицы
• Установка солнечных нейтрино
• Звездный нуклеосинтез

Ссылки [ править ]

Дальнейшее чтение [ править ]

• Haxton, WC ; Хэмиш Робертсон, RG ; Серенелли, Альдо М. (18 августа 2013 г.). «Солнечные нейтрино: состояние и перспективы». Ежегодный обзор астрономии и астрофизики . 51 (1): 21–61. arXiv : 1208,5723 . Bibcode : 2013ARA & A..51 ... 21H . CiteSeerX  10.1.1.755.6940 . DOI : 10.1146 / annurev-astro-081811-125539 .