Проблема солнечных нейтрино (стр. 2 из 6)

Согласно последним представлениям, горение водорода в недрах Солнца осуществляется в основном (от 98,4 % до 99,75% по различным данным) через протон-протонный цикл и только ≈1% – через углеродно-азотный цикл. Расчетное значение температуры в центре составляет 15,6Ä10⁶ К, а плотность – 148 г/см³. Нейтрино разных групп отличаются характером спектра, средней энергией, потоком и эффективной областью их генерации. Область генерации термоядерной энергии практически совпадает с областью генерации p-p-нейтрино. Скорость генерации ⁸В-нейтрино очень сильно зависит от температуры, поэтому поток таких нейтрино является мерилом температуры в центре Солнца. Наиболее растянутой по радиусу является область генерации нейтрино в результате реакции: ³Не + р - ⁴Не + е⁺ + n_е (так называемое hep-нейтрино). Две особенности являются характерными для этой группы нейтрино. Во-первых, поток этих нейтрино является индикатором концентрации гелия-3, очень хорошего термоядерного горючего. Во-вторых, энергетический спектр нейтрино простирается до высоких энергий: максимальная энергия составляет 18,77 МэВ. Такая особенность открывает уникальную возможность регистрации нейтрино этой группы. Не исключена возможность того, что горение гелия-3 в недрах Солнца является важным источником энергии.

ПРОБЛЕМА СОЛНЕЧНЫХ НЕЙТРИНО

Наблюдения солнечных нейтрино ведутся уже более тридцати лет. Наблюдаемое количество солнечных нейтрино оказалось значительно меньше вычисленного значения.

Основными реакциями, происходящими в недрах Солнца, являются (Stockman, Jan. 12th, 1997):

p + p - d + е⁺ + n
p + p + e - d + n
d + p - ³He + g
³He + ³He - p + p + ⁴He

³He + ⁴He - ⁷Be + g
⁷Be + е^- - ⁷Li + n
⁷Li + p - ⁴He + ⁴He

⁷Be + p - ⁸B + g
⁸B - ⁸Be* + е⁺ + n
⁸Be* - ⁴He + ⁴He.

Нейтрино, рождающиеся в этих реакциях, имеют разные энергии. Так p-p нейтрино имеют энергии около 420 кэВ, бериллиевые и борные нейтрино имеют энергии в среднем выше 814 кэВ. Ниже показан спектр нейтрино, рассчитанный ведущими физиками в этой области John Bahcall и Pinsonneault, 1998.

Для регистрации солнечных нейтрино осуществлены несколько нейтринных экспериментов. Каждый эксперимент работает в своем диапазоне энергий нейтрино. Каждый эксперимент откалиброван с помощью нейтрино земного происхождения и должен давать правдоподобный результат. Однако все существующие эксперименты указывают на большой недостаток потока нейтрино. Как будто от Солнца идет лишь 25-60% нейтрино от того количества, которое дает общепринятая теория. Значение нейтринного дефицита сильно зависит от метода работы конкретного нейтринного эксперимента.

В настоящее время имеются четыре серии экспериментальных данных по регистрации различных групп солнечных нейтрино. В течение 30 лет ведутся радиохимические эксперименты на основе реакции ³⁷Cl + n→³⁷Ar + e^-. Согласно теории, основной вклад в эту реакцию должны внести нейтрино от распада ⁸В в редкой ветви протон-протонного цикла. Исследования по прямой регистрации нейтрино от распада ⁸В с измерением энергии и направления движения нейтрино выполняются в эксперименте KAMIOKANDE с 1987 года. Радиохимические эксперименты по реакции ⁷¹Ga + n→⁷¹Ge + e^- ведутся последние несколько лет двумя группами ученых ряда стран. Важной особенностью этой реакции является ее чувствительность в основном к первой реакции протон-протонного цикла p + p → ²D + e⁺ + n. Темп этой реакции определяет скорость энерговыделения в термоядерной печи Солнца в реальном масштабе времени.

Во всех экспериментах наблюдается дефицит в потоках солнечных нейтрино по сравнению с предсказаниями Стандартной солнечной модели (ССМ).

В эксперименте KAMIOKANDE установлено, что зарегистрированные нейтрино идут от направления на Солнце и что их энергетический спектр согласуется с предсказаниями теории по спектру нейтрино от распада ⁸В (⁸В-нейтрино). Измеренный поток нейтрино составляет (2,7 ± 0,5)Ä10⁶ см^-2 с^-1. Сравнение этой величины с предсказаниями ССМ показывает, что на опыте имеется двукратный дефицит потока нейтрино. Используя полученную величину потока ⁸В-нейтрино, можно вычислить скорость реакции для радиохимического эксперимента ³⁷Cl(n, e^-) ³⁷Ar. Она оказывается в пределах от 4 до 5 СЕН. В хлорном эксперименте за время функционирования эксперимента KAMIOKANDE для скорости той же реакции было получено значение 4,2 ± 0,12 СЕН. Таким образом, можно заключить, что результаты двух различных по принципу работы экспериментов хорошо согласуются. В "галлиевом" радиохимическом эксперименте основной вклад в скорость реакции должны внести нейтрино от первой реакции протон-протонного цикла (р-р-нейтрино). Согласно теории, вклад р-р-нейтрино составляет 71 СЕН. С учетом всех групп нейтрино полная скорость равна 127 СЕН. По экспериментальным данным, скорость реакции ⁷¹Ga + n→⁷¹Ge + e^- всего 77 ± 10 СЕН, что значительно ниже величины, предсказанной теорией. Таким образом, и в этом эксперименте имеется дефицит нейтрино.

Какова же природа этого дефицита?

Следующим после p-p-нейтрино по вкладу в скорость реакции являются "бериллиевые" – 34 СЕН, далее ⁸В-нейтрино – 14 СЕН. Вклад нейтрино от углеродно-азотного цикла составляет 10 СЕН. Дефицит ⁸В нейтрино может иметь температурную природу (поток очень сильно зависит от температуры в центре Солнца: пропорционально Т¹⁸) или вызывается пониженной концентрацией ⁷Ве (в два раза). В первом случае, согласно теории, вклад в галлиевую реакцию бериллиевых нейтрино должен быть 34 СЕН, а во втором случае он будет в два раза меньше. Таким образом, если вычесть из экспериментального значения скорости реакции вклад ⁸В- и ⁷Ве-нейтрино, получим от 35 до 55 СЕН на долю p-p-нейтрино и нейтрино от C-N-цикла. Теоретическое значение вклада p-p-нейтрино составляет 71 СЕН, то есть и в этом случае имеется дефицит. Таким образом, существует глобальный дефицит солнечных нейтрино. Такой глобальный дефицит был предсказан в 1970 году Ю.Н. Старбуновым в рамках сформулированной гипотезы о повышенном содержании ³Не в недрах Солнца по сравнению с предсказаниями стандартных моделей Солнца. Были построены модели для различных значений концентрации ³Не и вычислены потоки различных групп нейтрино. Экспериментальные данные по потоку ⁸В-нейтрино соответствуют весовой концентрации ³Не в области горения водорода 3Ä10^-5. Эта величина всего в несколько раз больше предсказания ССМ для центра Солнца – 7,7Ä10^-6 и значительно меньше концентрации ³Не в солнечном ветре – 10^-4.

Принципиально важно, что указанное значение существенно меньше, чем концентрация ³Не, генерированного за счет реакций водородного горения за время функционирования ядерного котла в недрах Солнца. Весовая концентрация накопленного ³He в центре Солнца составляет 7,7Ä10^-6 и по мере удаления от центра растет, достигнув величины 3,3Ä10^-3 на расстоянии 0,28 радиуса Солнца. Видно, что приведенное выше значение 3Ä10^-5 может быть обеспечено, даже если первичное Солнце вообще не содержало ³Не. Это может быть как в результате диффузии ³Не, так и скачкообразного изменения структуры Солнца. Ясно, что непрерывный рост градиента концентрации ³Не в недрах Солнца не может быть перманентным. Отметим также, что в процессе горения водорода генерируется очень эффективное горючее ³Не, которое должно быть использовано впоследствии. К сожалению, теория не в состоянии предсказать величину градиента, выше которой неизбежно должен быть приток ³Не в центральную область.

Таким образом, если рассмотренный вариант отражает реальность, то должен быть наибольший дефицит нейтринного потока от распада ⁸В и несколько меньший дефицит потока р-р-нейтрино. Поток ⁷Ве нейтрино почти не меняется по сравнению с предсказаниями теории ССМ, а поток hер-нейтрино (³He + p → ⁴He + e⁺ + n_е) несколько возрастает. Все это реально проверяемо экспериментально.

Хотелось бы отметить, что рассмотренные выше загадки связаны с удивительным и интересным изотопом ³He. Изотопы гелия хорошо известны своими нестандартными свойствами. Может оказаться, что в условиях больших давлений и температур (недра Солнца) изотопы гелия преподнесут нам очередной сюрприз.

Возможность объяснения отрицательного результата опытов по обнаружению солнечных нейтрино состоит в пересмотрении основных представлений о природе нейтрино. Так, например, существует гипотеза, что нейтрино – нестабильная частица. Эта гипотеза требует признания у нейтрино хотя и малой, но конечной массы покоя. Если предположить, что период полураспада нейтрино меньше сотен секунд, то ясно, что образовавшиеся нейтрино просто не дойдут до Земли. Разновидностью этого типа гипотез является “гипотеза осцилляций”, предложенная Б. М. Понтекорво. Суть этой гипотезы сводится к тому, что испущенные Солнцем “электронные” нейтрино могут превращаться в “мюонные”, на которые детектор Дэвиса не реагирует.

Совершенно другой подход к проблеме содержится в гипотезе Фаулера, высказанной еще в 1972 году. Он предположил, что несколько миллионов лет назад во внутренних слоях Солнца произошло сравнительно быстрое, скачкообразное перемешивание вещества. Таким образом, в течение последних нескольких миллионов лет недра Солнца находятся в необычном, как бы переходном состоянии. Через несколько миллионов лет физические условия в недрах Солнца вернутся к первоначальному состоянию.