Солнечное нейтрино - Solar neutrino

Солнечные нейтрино (протон-протонная цепь ) в Стандартная солнечная модель

Электронные нейтрино производятся в солнце как продукт термоядерная реакция. Солнечные нейтрино составляют самый большой поток нейтрино из естественных источников, наблюдаемых на Земле, по сравнению, например, с атмосферные нейтрино или диффузный нейтринный фон сверхновой.^[1]

Производственные механизмы

Генерация солнечного нейтрино

Солнечные нейтрино образуются в ядре Солнца посредством различных термоядерная реакция реакции, каждая из которых протекает 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 протоны ${\displaystyle \to }$ дейтрон + позитрон + электронное нейтрино.

86% всех солнечных нейтрино образуются в результате этой реакции.^{[нужна цитата ][оспаривается ]} Как показано на рисунке под названием «Солнечные нейтрино (протон-протонная цепочка) в Стандартной модели Солнца», дейтрон будет сливаться с другим протоном, чтобы создать ³Он ядро и гамма-луч. Эту реакцию можно увидеть как:

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

Изотоп ⁴Его можно произвести, используя ³Он в предыдущей реакции, которая видна ниже.

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

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

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

Бериллий-7 может идти двумя разными путями с этого этапа: он может захватывать электрон и производить более стабильный литий-7 ядро 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 14% солнечных нейтрино.^{[нужна цитата ][оспаривается ]} Получающийся в результате литий-7 позже соединяется с протоном, чтобы произвести два ядра гелия-4. Альтернативная реакция - захват протона, в результате которого 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:^[2]

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

Наблюдаемые данные

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.^[3]

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.^[3] С Земли поток нейтрино составляет около 7 · 10¹⁰ частицы · см⁻²· С ⁻¹.^[4] Число нейтрино можно с большой уверенностью предсказать с помощью Стандартная солнечная модель. Однако количество электронных нейтрино, зарегистрированных на Земле, было только 1/3 предсказанного 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 натолкнули на идею осцилляция нейтрино и тот факт, что нейтрино могут менять аромат. Это было подтверждено, когда был измерен полный поток солнечных нейтрино всех типов, и это согласуется с более ранними предсказаниями ожидаемого потока только электронных нейтрино, как видно из Нейтринная обсерватория 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.^[5]

Теоретические кривые вероятности выживания солнечных нейтрино, приходящих днем ​​(оранжевый, непрерывный) или ночью (фиолетовый, пунктир), в зависимости от энергии нейтрино. Также показаны четыре значения энергии нейтрино, при которых были выполнены измерения, соответствующие четырем различным ветвям протон-протонной цепи.

Энергетический спектр солнечных нейтрино также предсказывается солнечными моделями.^[6] Важно знать этот энергетический спектр, потому что разные эксперименты по обнаружению нейтрино чувствительны к разным диапазонам энергии нейтрино. В Хоумстейк Эксперимент использовал хлор и был наиболее чувствителен к солнечным нейтрино, возникающим при распаде изотоп бериллия ⁷Быть. В Нейтринная обсерватория Садбери наиболее чувствителен к солнечным нейтрино, производимым ⁸Б. Детекторы, использующие галлий наиболее 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 достигнуто Borexino в 2014 году. В 2012 году это же коллаборация сообщила об обнаружении нейтрино низкой энергии для протон-электрон-протонного (бодрствующая реакция ), который производит 1 из 400 ядер дейтерия на Солнце.^[7][8] Детектор содержал 100 метрических тонн жидкости и регистрировал в среднем 3 события каждый день (из-за ¹¹C производство ) из этого относительно необычного термоядерный реакция.

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.^[9] который, согласно Стандартная солнечная модель, изменился за эоны как (в настоящее время) инертный побочный продукт гелий скопился в своей основе.

Смотрите также

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

Рекомендации

1. Billard, J .; Стригари, Л .; Фигероа-Феличиано, Э. (2014). «Влияние нейтринного фона на возможности экспериментов по прямому обнаружению темной материи следующего поколения». Phys. Ред. D. 89 (2): 023524. arXiv:1307.5458. Bibcode:2014ПхРвД..89б3524Б. Дои:10.1103 / PhysRevD.89.023524.
2. Группа, Клаус (2005). Физика астрономических частиц. Springer. ISBN  978-3-540-25312-9.^{[страница нужна ]}
3. Беллерив, А. (2004). «Обзор экспериментов с солнечными нейтрино». Международный журнал современной физики A. 19 (8): 1167–1179. arXiv:hep-ex / 0312045. Bibcode:2004IJMPA..19.1167B. Дои:10.1142 / S0217751X04019093.
4. Группа 2005, п. 95
5. Дэвис, Джонатан Х. (2016). «Проекции для измерения размеров ядра Солнца с нейтринно-электронным рассеянием». Письма с физическими проверками. 117 (21): 211101. arXiv:1606.02558. Bibcode:2016PhRvL.117u1101D. Дои:10.1103 / PhysRevLett.117.211101. PMID  27911522.
6. "Обзорные диаграммы солнечных нейтрино". www.sns.ias.edu.
7. Bellini, G .; и другие. (2012). «Первое свидетельство p-e-p солнечных нейтрино путем прямого обнаружения в Борексино». Письма с физическими проверками. 108 (5): 051302. arXiv:1110.3230. Bibcode:2012PhRvL.108e1302B. Дои:10.1103 / PhysRevLett.108.051302. PMID  22400925. 051302.. 6 страниц; препринт на arXiv
8. Витце, Александра (10 марта 2012 г.). «Обнаружены неуловимые солнечные нейтрино, обнаружение дает больше информации о реакции, приводящей в действие Солнце». Новости науки. Vol. 181 нет. 5. п. 14. Дои:10.1002 / scin.5591810516.
9. Haxton, W.C. (1990). «Предлагаемый нейтринный монитор длительного солнечного горения». Письма с физическими проверками. 65 (7): 809–812. Bibcode:1990PhRvL..65..809H. Дои:10.1103 / Physrevlett.65.809. PMID  10043028.

дальнейшее чтение

• Haxton, W.C.; Хэмиш Робертсон, Р.; 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. Дои:10.1146 / annurev-astro-081811-125539.