Проблема солнечных нейтрино
о полный поток
солнечных нейтрино слабо зависит от конкретных физических условий,
реализуемых в глубоких недрах нашего светила. В то же время потоки
отдельных групп нейтрино сильно зависят от состояния вещества в центральной
части Солнца. Так, например, при изменении температуры от 12(106 до 14(106
К поток нейтрино, возникающих от распада 8В, меняется более чем в 15 раз, а
поток нейтрино углеродно-азотного цикла – более чем в 10 раз. Это
обстоятельство является исключительно важным, так как по мере удаления от
центра Солнца скорость генерации нейтрино при распадах 8В, 15N и 15О падает
настолько сильно, что их можно не учитывать. Таким образом, измерение даже
одного потока нейтрино от распада 8В позволяет судить о температуре в
центральной области Солнца.
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 15,6(106 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+ + (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+ + (
p + p + e ( d + (
d + p ( 3He + (
3He + 3He ( p + p + 4He
3He + 4He ( 7Be + (
7Be + е- ( 7Li + (
7Li + p ( 4He + 4He
7Be + p ( 8B + (
8B ( 8Be* + е+ + (
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.
[pic]
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 + (>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 + (>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+ + (. 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)(106 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((, 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
+ (>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 3(10-5.
Эта величина всего в несколько раз больше предсказания ССМ для центра
Солнца – 7,7(10-6 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 7,7(10-6 и по мере удаления от
центра растет, достигнув величины 3,3(10-3 на расстоянии 0,28 радиуса
Солнца. Видно, что приведенное выше значение 3(10-5 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+ + (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
конечно
| |  скачать работу |
Проблема солнечных нейтрино |
