Солнечные нейтрино рождаются в ядерных реакциях в центре Солнца. Когда четыре протона в несколько этапов превращаются в ядро гелия, часть протонов должна стать нейтронами. В этих превращениях возникают позитроны и электронные нейтрино, которые почти сразу покидают звезду.
Главный источник — протон-протонная цепочка
В первой реакции два протона взаимодействуют, один превращается в нейтрон, образуется дейтерий, а вместе с ним испускаются позитрон и электронное нейтрино. Затем дейтерий захватывает протон и становится гелием-3. Разные ветви цепочки завершают сборку гелия-4.
Нейтрино образуются также при электронном захвате бериллием-7 и бета-распаде бора-8. Эти каналы редки по сравнению с основной pp-реакцией, но дают нейтрино других энергий. Небольшой вклад в Солнце вносит CNO-цикл, где углерод, азот и кислород участвуют как катализаторы превращения водорода в гелий.
Почему они быстро достигают Земли
Фотоны из ядра многократно поглощаются и переизлучаются в плотной плазме, поэтому энергия проходит наружу очень долго. Нейтрино взаимодействуют с веществом крайне слабо и покидают Солнце за секунды, а затем примерно восемь минут летят до Земли почти со скоростью света.
Именно поэтому поток нейтрино даёт непосредственную информацию о реакциях, идущих сейчас в ядре. Видимый солнечный свет отражает энергию, которая значительно дольше пробиралась через внутренние слои.
Как ловят почти неуловимые частицы
Через человека каждую секунду проходят огромные количества солнечных нейтрино, не оставляя следа. Детекторам нужны большие объёмы вещества, низкий радиоактивный фон и размещение глубоко под землёй. Редкое взаимодействие создаёт заряженную частицу, вспышку света или новый атом, который можно зарегистрировать.
Радиохимический эксперимент Хоумстейка считал атомы аргона, возникавшие в баке с хлорсодержащей жидкостью. Super-Kamiokande наблюдает черенковский свет в воде. SNO использовал тяжёлую воду и смог отдельно оценить чувствительный к типу нейтрино и общий потоки.
Проблема солнечных нейтрино
Первые эксперименты регистрировали меньше электронных нейтрино, чем предсказывали солнечные модели. Причиной оказалась не остановка термоядерных реакций, а нейтринные осцилляции: во время полёта частица может менять аромат между электронным, мюонным и тау-нейтрино.
Изменение аромата возможно, если нейтрино имеют массу. Наблюдения разных энергий и расстояний подтвердили осцилляции и одновременно согласовали общий солнечный поток с моделями. Абсолютные массы при этом не определены обычным солнечным измерением.
Что измеряют сегодня
Спектр и время потока проверяют температуру ядра, относительный вклад ветвей синтеза и стабильность солнечной энергии. CNO-нейтрино особенно интересны для оценки содержания тяжёлых элементов во внутренних областях. Такие измерения требуют отделить слабый сигнал от радиоактивного фона Земли и космических лучей.
Таблицу реакций протон-протонной цепочки и энергий нейтрино содержит учебный материал NASA. Солнечные нейтрино не возникают из «взрывов» на поверхности: вспышки относятся к магнитной активности атмосферы, тогда как постоянный поток рождается в глубоком термоядерном ядре.