Проблема солнечных нейтрино касалась большого расхождения между потоком солнечных нейтрино , предсказанным из светимости Солнца , и измеренным напрямую. Расхождение впервые было обнаружено в середине 1960-х годов и было разрешено около 2002 года .
Поток нейтрино на Земле составляет несколько десятков миллиардов на квадратный сантиметр в секунду, в основном из ядра Солнца . Тем не менее, их трудно обнаружить, поскольку они очень слабо взаимодействуют с материей, пересекая всю Землю . Из трех типов ( ароматизаторов ) нейтрино, известных в Стандартной модели физики элементарных частиц , Солнце производит только электронные нейтрино . Когда детекторы нейтрино стали достаточно чувствительными, чтобы измерить поток электронных нейтрино от Солнца, обнаруженное число было намного ниже предсказанного. В различных экспериментах дефицит числа составлял от половины до двух третей.
Физики, изучающие элементарные частицы, знали, что механизм, обсуждаемый в 1957 году Бруно Понтекорво , может объяснить дефицит электронных нейтрино. [1] Однако они не решались принять его по разным причинам, включая тот факт, что он требовал модификации принятой Стандартной модели. Сначала они указали на солнечную модель для корректировки, которая была исключена. Сегодня принято считать, что нейтрино, образующиеся на Солнце, не являются безмассовыми частицами, как предсказывает Стандартная модель, а скорее смешанными квантовыми состояниями, состоящими из собственных состояний с определенной массой в различных ( комплексных ) пропорциях. Это позволяет нейтрино, образующемуся как чистое электронное нейтрино, изменяться во время распространения в смесь электронных, мюонных и тау-нейтрино с уменьшенной вероятностью обнаружения детектором, чувствительным только к электронным нейтрино.
Несколько детекторов нейтрино, нацеленных на различные ароматы, энергии и пройденное расстояние, внесли свой вклад в наши нынешние знания о нейтрино. В 2002 и 2015 годах в общей сложности четыре исследователя, связанных с некоторыми из этих детекторов, были удостоены Нобелевской премии по физике .
Солнце осуществляет ядерный синтез посредством цепной реакции протон-протон , которая преобразует четыре протона в альфа-частицы , нейтрино , позитроны и энергию. Эта энергия выделяется в виде электромагнитного излучения, гамма-лучей , а также в виде кинетической энергии как заряженных частиц, так и нейтрино. Нейтрино перемещаются от ядра Солнца к Земле без какого-либо заметного поглощения внешними слоями Солнца.
В конце 1960-х годов эксперимент Рэя Дэвиса и Джона Н. Бакалла в Хоумстейке был первым, кто измерил поток нейтрино от Солнца и обнаружил дефицит. В эксперименте использовался детектор на основе хлора . Многие последующие радиохимические и водные черенковские детекторы подтвердили дефицит, включая обсерваторию Камиока и нейтринную обсерваторию Садбери .
Ожидаемое число солнечных нейтрино было рассчитано с использованием стандартной солнечной модели , которую помог установить Бакалл. Модель дает подробный отчет о внутренней работе Солнца.
В 2002 году Рэй Дэвис и Масатоши Кошиба получили часть Нобелевской премии по физике за экспериментальную работу, в ходе которой было обнаружено, что число солнечных нейтрино составляет около трети от числа, предсказываемого стандартной солнечной моделью. [2]
В знак признания убедительных доказательств, представленных в экспериментах 1998 и 2001 годов «для нейтринных осцилляций», Такааки Кадзита из обсерватории Супер-Камиоканде и Артур Макдональд из нейтринной обсерватории Садбери (SNO) были удостоены Нобелевской премии по физике 2015 года . [3] [4] Однако Нобелевский комитет по физике допустил ошибку, упомянув нейтринные осцилляции в отношении эксперимента SNO: для высокоэнергетических солнечных нейтрино, наблюдавшихся в этом эксперименте, это были не нейтринные осцилляции, а эффект Михеева–Смирнова–Вольфенштейна . [5] [6] Бруно Понтекорво не был включен в эти Нобелевские премии, поскольку он умер в 1993 году.
Ранние попытки объяснить это несоответствие предполагали, что модели Солнца были неверны, то есть температура и давление внутри Солнца существенно отличались от того, что считалось. Например, поскольку нейтрино измеряют количество текущего ядерного синтеза, предполагалось, что ядерные процессы в ядре Солнца могли временно прекратиться. Поскольку для перемещения тепловой энергии из ядра на поверхность Солнца требуются тысячи лет, это не сразу станет очевидным.
Достижения в области гелиосейсмологических наблюдений позволили сделать выводы о внутренних температурах Солнца; эти результаты согласуются с хорошо известной стандартной солнечной моделью . Подробные наблюдения спектра нейтрино из более продвинутых нейтринных обсерваторий дали результаты, которые не могла учесть никакая корректировка солнечной модели: в то время как общий более низкий поток нейтрино (который обнаружили результаты эксперимента в Хоумстейке) требовал снижения температуры солнечного ядра, детали энергетического спектра нейтрино требовали более высокой температуры ядра. Это происходит потому, что различные ядерные реакции, скорости которых по-разному зависят от температуры, производят нейтрино с разной энергией. Любая корректировка солнечной модели ухудшала по крайней мере один аспект расхождений. [7]
Проблема солнечных нейтрино была решена с улучшением понимания свойств нейтрино. Согласно Стандартной модели физики элементарных частиц, существует три разновидности нейтрино: электронные нейтрино , мюонные нейтрино и тау-нейтрино . Электронные нейтрино — это те, которые производятся на Солнце и которые были обнаружены в вышеупомянутых экспериментах, в частности в эксперименте с детектором хлора в шахте Хоумстейк.
В 1970-х годах широко считалось, что нейтрино не имеют массы, а их ароматы инвариантны. Однако в 1968 году Понтекорво предположил, что если у нейтрино есть масса, то они могут переходить из одного аромата в другой. [8] Таким образом, «пропавшие» солнечные нейтрино могли быть электронными нейтрино, которые по пути к Земле превратились в другие ароматы, что сделало их невидимыми для детекторов в шахте Хоумстейк и современных нейтринных обсерваториях.
Сверхновая 1987A показала , что нейтрино могут иметь массу из-за разницы во времени прибытия нейтрино, обнаруженных в Камиоканде и IMB . [9] Однако, поскольку было обнаружено очень мало нейтринных событий, было трудно сделать какие-либо выводы с уверенностью. Если бы у Камиоканде и IMB были высокоточные таймеры для измерения времени путешествия нейтринного взрыва через Землю, они могли бы более определенно установить, имеют ли нейтрино массу. Если бы нейтрино были безмассовыми, они бы двигались со скоростью света; если бы они имели массу, они бы двигались со скоростью, немного меньшей скорости света. Поскольку детекторы не были предназначены для обнаружения нейтрино от сверхновых , это было невозможно сделать.
Веские доказательства существования нейтринных осцилляций были получены в 1998 году в ходе сотрудничества в Японии в Супер-Камиоканде . [10] Оно дало наблюдения, согласующиеся с тем, что мюонные нейтрино (образуемые в верхних слоях атмосферы космическими лучами ) превращаются в тау-нейтрино внутри Земли: было обнаружено меньше атмосферных нейтрино, проходящих через Землю, чем приходящих непосредственно из-под детектора. Эти наблюдения касались только мюонных нейтрино. Тау-нейтрино в Супер-Камиоканде не наблюдалось. Однако этот результат сделал более правдоподобным то, что дефицит нейтрино с электронным ароматом, наблюдаемый в (относительно низкоэнергетическом) эксперименте Хоумстейк, также связан с массой нейтрино.
Год спустя Нейтринная обсерватория Садбери (SNO) начала собирать данные. Этот эксперимент был нацелен на солнечные нейтрино 8 B, которые при энергии около 10 МэВ не сильно подвержены колебаниям как на Солнце, так и на Земле. Тем не менее ожидается большой дефицит из-за эффекта Михеева-Смирнова-Вольфенштейна , как было рассчитано Алексеем Смирновым в 1985 году. Уникальная конструкция SNO, использующая большое количество тяжелой воды в качестве среды обнаружения, была предложена Хербом Ченом также в 1985 году. [11] SNO наблюдала электронные нейтрино, в частности, и все разновидности нейтрино, коллективно, отсюда и доля электронных нейтрино. [12] После обширного статистического анализа коллаборация SNO определила, что эта доля составляет около 34%, [13] что полностью согласуется с прогнозом. Общее количество обнаруженных нейтрино 8 B также согласуется с тогдашними грубыми прогнозами солнечной модели. [14]