Как XENONnT открыл новое окно в физику солнечных нейтрино

Эксперимент XENONnT создавался прежде всего для поиска WIMP — гипотетических слабовзаимодействующих массивных частиц тёмной материи. Но чувствительность, необходимая для регистрации настолько редких событий, превратила его одновременно в уникальный детектор солнечных нейтрино.

На семинаре в Национальной лаборатории Гран-Сассо в Италии коллаборация XENON объявила о первом наблюдении низкоэнергетических солнечных нейтрино, рассеивающихся на электронах в XENONnT. Анализ расширил область прямых наблюдений примерно до 17 кэВ — рекордно низкой энергии для нейтрино. Сигнал в основном обусловлен pp-нейтрино, рождающимися в реакциях, которые поддерживают энерговыделение Солнца. 22

Как нейтрино оставляет след

Нейтрино почти не взаимодействуют с веществом. Однако иногда солнечное нейтрино сталкивается с электроном в жидком ксеноне и передаёт ему небольшую часть энергии. Такая электронная отдача создаёт два сигнала:

• вспышку сцинтилляционного света в жидком ксеноне;
• вторичный сигнал электролюминесценции, возникающий, когда высвободившиеся электроны извлекаются в газовую фазу.

По соотношению этих сигналов физики восстанавливают энергию события и его положение в детекторе. Поэтому задача не сводится к поиску одного «удара» нейтрино. Исследователи сравнивают статистическую форму множества электронных отдач с ожидаемыми спектрами солнечных нейтрино, радиоактивного загрязнения и инструментального фона.

Важно: значение около 17 кэВ — это доступный измерению энергетический диапазон нейтрино, а не энергия, целиком передаваемая каждому электрону. Согласно представленному результату, наблюдение имеет значимость 5σ, а зарегистрированный сигнал доминирующим образом связан с pp-компонентом солнечных нейтрино. 22

Что такое pp-нейтрино

pp-нейтрино образуются на первом этапе протон-протонной цепочки реакций в Солнце:

[
p+p\rightarrow d+e^++\nu_e
]

Эта реакция запускает процесс, в ходе которого водород постепенно превращается в гелий. Поскольку именно протон-протонная цепочка обеспечивает основную часть энергии Солнца, pp-нейтрино — прямые посланники термоядерных реакций в его ядре.

У них есть важное преимущество перед светом. Фотонам требуется очень долго пробираться из солнечного ядра к поверхности, тогда как нейтрино почти сразу покидают область рождения. Поэтому измерение pp-компоненты даёт более непосредственный способ проверить, как именно идёт синтез, питающий Солнце.

Почему XENONnT смог увидеть такой слабый сигнал

В центре установки находится двухфазная времяпроекционная камера с активной мишенью массой 5,9 тонны жидкого ксенона. Большой объём повышает вероятность редких взаимодействий, а одновременная регистрация света и ионизации позволяет определить энергию и трёхмерное положение события. 5

Главная проблема — не только редкость нейтрино, но и фон. Радон и продукты его распада могут вызывать низкоэнергетические электронные отдачи, похожие на события от рассеяния нейтрино на электронах.

Для борьбы с этим коллаборация XENON внедрила онлайн-криогенную дистилляцию, которая непрерывно удаляет радон из ксенона. Активность (^{222}\mathrm{Rn}) в рабочем объёме удалось снизить примерно до (0,90\ \mu\mathrm{Бк/кг}). При таком уровне радоновый фон стал сопоставим с неизбежным фоном от солнечных нейтрино. 1819

Расположение установки на большой глубине под горой Гран-Сассо дополнительно уменьшает число событий, вызванных космическими лучами. В результате сигнал можно извлекать статистической подгонкой энергетического спектра, а не пытаться выделить редкие события среди огромного количества ложных срабатываний. 22

Чем новый результат отличается от измерения нейтрино бора-8

Новая работа использует другой тип взаимодействия, чем результат XENONnT, объявленный в 2024 году. Тогда эксперимент искал нейтрино (^{8}\mathrm{B}) через когерентное упругое рассеяние нейтрино на ядре — CEνNS. В этом процессе нейтрино передаёт импульс ядру атома ксенона, вызывая ядерную отдачу. Анализ дал указание со статистической значимостью 2,73σ, но не открытие уровня 5σ. 23

Теперь речь идёт о рассеянии нейтрино на электроне. Эти два канала дополняют друг друга:

• электронные отдачи возникают при рассеянии на электронах; в этом канале особенно важны низкоэнергетические pp-нейтрино;
• ядерные отдачи возникают при CEνNS и были центральной частью результата по нейтрино бора-8.

Так один и тот же ксеноновый детектор получает доступ к разным участкам энергетического спектра солнечных нейтрино и к разным аспектам физики Солнца.

«Нейтринный туман» как новый вызов для поиска тёмной материи

Для экспериментов по прямому обнаружению тёмной материи солнечные нейтрино одновременно являются ценным сигналом и нежелательным фоном. Их нельзя просто остановить дополнительной защитой: нейтрино почти беспрепятственно проходят через вещество, а создаваемые ими отдачи могут напоминать взаимодействия WIMP.

Этот неизбежный фон часто называют «нейтринным туманом». Это не абсолютно непреодолимый барьер. Энергетическая форма сигнала, сравнение разных материалов-мишеней, измерение направления и более точное знание солнечных потоков могут помочь статистически отличить WIMP от нейтрино. Но по мере роста чувствительности улучшения становятся всё труднее, а систематические неопределённости — важнее. Результат XENONnT по CEνNS нейтрино бора-8 стал одним из первых прямых примеров ядерного нейтринного фона в детекторе тёмной материи. 12

Что даст будущая установка XLZD

XLZD — планируемая обсерватория следующего поколения на основе жидкого ксенона. В базовом проекте её активная мишень будет содержать около 60 тонн ксенона, а при благоприятных условиях объём может быть увеличен до 80 тонн. Это примерно на порядок больше активной массы XENONnT. Установка предназначена одновременно для поиска WIMP и исследований нейтрино. 3235

Большая масса означает не просто больше зарегистрированных событий. Она может позволить точнее измерять поток и спектр pp-нейтрино, а также вероятность сохранения электронного нейтрино при его пути от Солнца к Земле. Параллельно XLZD будет исследовать область, где сигналы WIMP начинают перекрываться с «нейтринным туманом». 3239

Главный вывод XENONnT прост: поиск тёмной материи и солнечная нейтринная астрономия больше нельзя считать полностью разными направлениями. Та же чистота, низкий уровень шума и технология регистрации, которые нужны для поиска крайне редких событий от WIMP, позволяют увидеть почти неуловимые следы термоядерных реакций в ядре Солнца.