Нейтрино — одни из самых загадочных частиц в современной физике. Они крайне редко взаимодействуют с материей, у них нет заряда, но есть небольшая масса, эти частицы участвуют в гравитационном и слабом взаимодействии. Нейтрино рождаются во время ядерных реакций, например, в ядре нашего Солнца. Ученым очень сложно отследить эти частицы — приходится строить детекторы в толще льда, воды либо под землей.
Коллаборации ученых удалось впервые зафиксировать, как нейтрино превращают атомы углерода в азот внутри гигантского подземного детектора. Событие наблюдали на детекторе SNO+ в лаборатории SNOLAB. Этот международный исследовательский центр, размещенный в действующей шахте в городе Садбери (Канада), на глубине двух километров. Такое расположение экранирует лабораторию от космических лучей и фонового излучения, которые могли бы заглушить слабые сигналы нейтрино. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.
Ученые искали события, связанные со слабым взаимодействием: обратный бета-распад. Нейтрино должно было удариться в ядро углерода-13, само стать электроном и превратить в ядре один из нейтронов в протон. Так ядро углерода становится азотом. Изотоп азота-13 живет примерно 10 минут.
Физики нашли такие превращения, применив метод «запаздывающих совпадений». Они искали два связанных сигнала: вспышку от удара нейтрино по ядру углерода-13, а затем, несколько минут спустя, вторую вспышку от последующего радиоактивного распада азота-13. Наличие обоих вспышек позволяет отделять реальные взаимодействия нейтрино от фонового шума.
Анализ данных с детектора в период с мая 2022-го по июнь 2024-го показал 5,6 наблюдаемого события за 231 день. Ученые ожидали от нейтрино примерно 4,7 такого события за выбранный период.
«Фиксация этого взаимодействия — экстраординарное достижение. Несмотря на редкость нужного изотопа углерода, нам удалось наблюдать его взаимодействие с нейтрино, которые родились в ядре Солнца и преодолели огромные расстояния, чтобы достичь нашего детектора», — рассказал Гулливер Милтон (Gulliver Milton), первый автор статьи.
Эксперимент SNO+ использовал инфраструктуру установки SNO, которая показала, что нейтрино осциллируют между тремя типами — электронным, мюонным и тау-нейтрино — на пути от Солнца к Земле. Руководитель эксперимента SNO и соавтор статьи Артур Б. Макдональд (Arthur B. McDonald) — один из обладателей Нобелевской премии по физике 2015 года за решение проблемы солнечных нейтрино.