За първи път: Учените наблюдаваха истинска алхимия – слънчево неутрино превръща изотоп на въглерода в азот

Канадски учени за първи път наблюдаваха рядко явление – как слънчево неутрино превръща рядък изотоп на въглерода в изотоп на азота, реализирайки на практика една от най-нискоенергийните реакции, възможни в природата.

Това е истинска научна алхимия – когато една наистина неуловима частица създава реконструкция на атомното ядро, вършейки работата на тестов лъч от естествения ускорител на частици – Слънцето.

Експериментът е извършен от учени от колаборацията SNO+. Детекторът на неутрино е разположен в подземната лаборатория SNOLAB в Канада на дълбочина 2 километра. Дебелината на земята над детектора екранира повечето други елементарни частици, пропускайки към сензора основно неутрино, за което е прозрачна не само нашата планета, но дори и стена от олово с дебелина една светлинна година (в такава стена вероятността за сблъсък на неутрино с оловен атом е 50%).

За учените беше важно да наблюдават слънчевите неутрино. Това е доста лесно, тъй като те не са толкова енергични, колкото атмосферните или космическите неутрино, раждащи се при експлозии на свръхнови и други невероятно мощни явления във Вселената. Детекторът за неутрино на SNOLAB представлява сферичен резервоар, запълнен с течен сцинтилатор, с вместимост около 800 тона линеен алкилбензен. Изотопът въглерод-13 (13С) присъства естествено в разтвора – около 1,1%. Може само да се гадае с каква вероятност слабо взаимодействаща частица ще се влети в атом 13С. И все пак учените са регистрирали няколко такива събития.

При взаимодействието си с ядрото на 13С, което се състои от 6 положително заредени протона и 7 неутрални неутрона, неутриното избива електрон от един неутрон и го превръща в протон. Фотосензорите откриват това събитие чрез слабото светене на сцинтилатора. Тази трансмутация превръща ядрото в атом на азот-13 (13N) със 7 протона и 6 неутрона. Изотопът 13N е нестабилен и се разпада след около 10 минути, като излъчва позитрон, който също кара сцинтилатора да свети и да регистрира събитието. Двете характерни проблясъци през определен интервал от време са трансмутация на 13C в 13N и нищо друго.

По време на 231 дни наблюдения (от май 2022 до юни 2023 година) бяха регистрирани 60 събития на кандидатите. Статистическият анализ показа 5,6 събития, причинени именно от неутрино, което е близо до теоретично очакваните 4,7 случая. Това е най-нискоенергийното пряко измерване на сечението на такава реакция. Откритието потвърждава теоретичните предсказания за слабите взаимодействия на неутриното при ниски енергии и позволява слънчевите неутрино да се използват като естествен „лъч“ за изучаване на редки ядрени процеси, което придвижва фундаменталната физика малко по-напред.