«Апостериори»: Детектор тёмной материи зарегистрировал солнечные нейтрино с рекордно низкой энергией

Новости науки и технологий

Поддержите «Эхо», если вы не в России

Физики впервые зарегистрировали низкоэнергетические солнечные нейтрино с помощью детектора, созданного для поиска тёмной материи. Эксперимент XENONnT позволил обнаружить нейтрино с энергией от 17 килоэлектронвольт – это самый низкий порог энергии, достигнутый при регистрации нейтрино.

Нейтрино – одни из самых распространённых элементарных частиц во Вселенной, однако обнаружить их чрезвычайно сложно. Они не имеют электрического заряда и очень слабо взаимодействуют с веществом. Поэтому подавляющее большинство нейтрино могут пройти через Землю, не столкнувшись ни с одной частицей.

Одним из ближайших и наиболее интенсивных источников нейтрино является Солнце. Эти частицы образуются там в ходе термоядерных реакций. Большую часть потока составляют нейтрино, которые возникают на первом этапе протон-протонной цепочки: два протона в конечном счёте образуют ядро дейтерия, позитрон и электронное нейтрино. На частицы рождающиеся таким путём приходится около 90 процентов солнечных нейтрино, однако их энергия не превышает примерно 425 килоэлектронвольт, поэтому регистрировать их особенно сложно.

До сих пор для исследования таких нейтрино использовали специализированные установки с десятками или сотнями тонн вещества. Однако в исследовании, опубликованном в сентябре 2026 года, коллаборация XENON показала, что для этого можно использовать установки другого типа – созданные для поиска частиц тёмной материи.

XENONnT расположен в подземной лаборатории Гран-Сассо в Италии под слоем горной породы толщиной около 1400 метров. Основная часть установки содержит почти шесть тонн жидкого ксенона. Изначально эксперимент предназначен для поиска крайне редких столкновений гипотетических частиц тёмной материи с атомами ксенона. Для этого детектор должен быть способен регистрировать очень небольшое количество энергии и быть максимально изолирован от посторонних сигналов.

Эти же свойства позволили использовать его для регистрации нейтрино. В данном случае нейтрино сталкивается не с ядром атома, а с одним из его электронов и передаёт ему часть своей энергии. Движущийся электрон ионизирует и возбуждает окружающие атомы ксенона. Детектор регистрирует возникающие при этом свет и свободные электроны, и по этим сигналам позволяет восстановить энергию события.

Главная проблема заключается в том, что похожие сигналы создают радиоактивные примеси внутри самого детектора. Особенно важным источником фона оказался свинец-214 – продукт цепочки распада радона-222. Именно снижение содержания радона и более точная оценка оставшегося радиоактивного фона позволили XENONnT достичь необходимой чувствительности.

Авторы работы проанализировали данные двух периодов наблюдений с суммарной экспозицией 2,46 тонно-года. Они рассматривали события, в которых электроны получали от 1 до 140 килоэлектронвольт энергии. Такой низкий порог позволил установке стать чувствительной к солнечным нейтрино с энергией примерно от 17 килоэлектронвольт, что почти на порядок ниже предыдущего измерения Borexino.

В результате исследователи обнаружили избыток событий над ожидаемым фоном со статистической значимостью 5 сигма. Около 89 процентов ожидаемого нейтринного сигнала в исследуемом диапазоне приходится именно на нейтрино, рождённых из протон-протонной цепочки.

При этом главная ценность работы заключается не столько в новом измерении потока солнечных нейтрино, сколько в самом способе их регистрации. Эксперимент показал, что крупные детекторы жидкого ксенона могут одновременно использоваться для поиска тёмной материи и исследования нейтрино при энергиях в десятки килоэлектронвольт.

Пока точность такого метода ограничена фоновыми событиями. Для дальнейших измерений исследователям потребуется ещё сильнее уменьшить содержание свинца-214 и криптона-85, а также точнее учитывать другие радиоактивные примеси и характеристики самого детектора. После модернизации XENONnT продолжит накапливать данные.

В перспективе значительно более крупные ксеноновые установки смогут превратиться в многоцелевые обсерватории. Авторы упоминают проект следующего поколения XLZD, который потенциально сможет измерять поток протон-протонных нейтрино с погрешностью менее одного процента. Такие наблюдения позволят точнее проверять модели, описывающие процессы внутри Солнца, свойства нейтрино и электрослабое взаимодействие, а также искать отклонения от Стандартной модели, и продолжать поиск частиц тёмной материи.