Эксперимент Борексино получил первое экспериментальное доказательство протекания на Солнце термоядерных реакций так называемого CNO-цикла.

Источник энергии звёзд – термоядерный синтез, в котором при больших температуре и давлении происходят цепочки реакций превращения водорода в гелий. Основным считается так называемый протон-протонный цикл, в котором участвуют только водород и гелий.

Начинается он со слияния двух ядер водорода в «тяжелый водород» – дейтерий. При наличии в ядре звезды ещё и тяжелых элементов – углерода (C), азота (N) и кислорода (O) гелий может образовываться в ходе ядерных реакций, превращающих эти элементы друг в друга. Такая цепочка реакций получила название – CNO-цикл. Углерод, кислород и азот выступают здесь катализаторами процесса. Предполагается, что для лёгких и холодных звёзд, в том числе и Солнца, основным служит первый способ, а для более массивных и горячих звёзд – второй, поскольку содержание элементов тяжелее гелия (астрофизики называют их металлами, а саму эту характеристику – металличностью) у массивных звёзд больше. Оценки показывают, что вклад реакции CNO-цикла для Солнца, составляет около 1 процента.
Коллаж изображений системы датчиков детектора и Солнца (Фото Александра Чепурнова, руководителя проекта со стороны НИИЯФ МГУ)

Реакции обоих циклов хорошо исследованы теоретически. Первый вариант CN-цикла был предложен нобелевским лауреатом Хансом Бете и Карлом Вайцзекером ещё во второй половине 1930-х годов, однако экспериментально подтвердить его существование до настоящего времени не было возможности, ведь непосредственно наблюдать реакции в ядре звезды невозможно. Более того, рождаемое в этих реакциях электромагнитное гамма-излучение из-за высокой плотности вещества пробирается из недр звезды до её поверхности сотни тысяч лет, теряя в ходе бесчисленных поглощений и переизлучений атомами свою энергию и первоначальные характеристики.
На помощь астрофизикам пришли нейтрино, рождающиеся в реакциях обоих циклов. Их называют солнечными нейтрино. Эти крайне слабо взаимодействующие с веществом частицы практически беспрепятственно и без потери своих характеристик проходят сквозь толщу звезды, что делает их уникальным источником информации о процессах в ядре Солнца. Благодаря околосветовой скорости им требуется чуть больше восьми минут, чтобы достигнуть Земли. Так что эта информация поступает к нам практически в режиме реального времени.
Однако эти же свойства нейтрино крайне осложняют их регистрацию на Земле, они также легко пронизывают лабораторные установки – детекторы, которые заполнены веществом, предназначенным для взаимодействия с ними. Лишь чрезвычайно малая доля проходящих нейтрино взаимодействует с веществом, вынуждая исследователей строить огромные детекторы, защищая их от любого возможного радиоактивного фона, и проводить очень точные измерения в течение многих лет. Тем не менее, в последние десятилетия нейтринная астрономия достигла больших успехов.
Уникальный в своём классе нейтринный детектор используется в стартовавшем в 2007 году эксперименте Борексино (Borexino) по изучению солнечных нейтрино. Его сердцем служит нейлоновая сфера диаметром 8,5 метров, заполненная 280 тоннами сверхчистого жидкого органического сцинтиллятора. Она окружена несколькими слоями защиты от окружающей естественной радиоактивности и помещена в подземную лабораторию на глубине 1,5 километра внутри горного массива Гран Сассо в Италии, что дает защиту от космических лучей.

При столкновении нейтрино с электронами сцинтиллятора возникает слабая вспышка света, которую улавливают около 2200 фотоумножителей. За день из триллионов проходящих через детектор нейтрино получается зарегистрировать около ста событий. Чтобы из всех собранных за годы наблюдений событий выделить нейтрино от исследуемых реакций на Солнце, исследователи используют теоретические модели и тщательно вычисляют вклады различных процессов.
В 2018 году на Борексино уже удалось подтвердить наличие реакций протон-протонного цикла на Солнце, теперь же настала очередь CNO-цикла. Само доказательство основывается на том, что нейтрино, рождающиеся в том или ином цикле, имеют разный энергетический спектр – зависимость количества нейтрино от их энергии. По оценкам исследователей, через каждый квадратный сантиметр поверхности детектора проходит около 700 миллионов нейтрино в секунду, что составляет примерно одну сотую от общего потока нейтрино от Солнца. Это очень хорошо сходится с теоретическими оценками вклада CNO-цикла. Результаты исследований опубликованы в журнал «Nature».
Обнаружение нейтрино CNO-цикла может помочь решить целый ряд важный нерешённых вопросов солнечной физики. Металличность ядра Солнца может быть определена только по их количеству. А она, в свою очередь, позволит оценить металличность других слоёв звезды. Дело в том, что традиционные модели Солнца столкнулись с трудностью – измерения металличности поверхности с помощью спектроскопии не согласуются с измерениями металличности на глубине, полученными гелиосейсмологией. Спектроскопия даёт более низкое содержание металлов, чем гелиосейсмология.

Несмотря на подробные исследования, это несоответствие остается открытой проблемой в физике Солнца. Кроме того «металлы» влияют на непрозрачность плазмы, косвенно изменяя температуру ядра и эволюцию Солнца, его профиль плотности. Содержание элементов в ядре звезды также характеризует состав газопылевого облака, из которого родилась звезда.

Любопытно, что до открытия CNO-нейтрино планировалось прекратить работу Borexino в конце 2020 года. Но теперь, возможно, сбор данных может быть продлен, по крайней мере, до 2021 года
В международный коллектив коллаборации Борексино входят около 100 исследователей из Италии, США, Германии, Франции и России. Нашу страну представляют специалисты из НИИ ядерной физики имени Д.В. Скобельцына и физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, НИЦ «Курчатовский институт», Объединённого института ядерных исследований. Физики МГУ включились в проект «Борексино» ещё в 2001 году и принимали участие в создании и запуске детектора.