Як XENONnT відкрив нове вікно в нейтрино Сонця — до 17 кеВ

Експеримент XENONnT у підземній лабораторії Гран-Сассо в Італії створювали насамперед для пошуку WIMP — гіпотетичних слабковзаємодіючих масивних частинок, одного з кандидатів на роль темної матерії. Але надзвичайно низький рівень шуму, необхідний для такого пошуку, перетворив детектор і на чутливий інструмент для нейтринної фізики.

У співпраці XENON повідомили про перше спостереження низькоенергетичних сонячних нейтрино, які розсіюються на електронах. Вимірювання розширило межу прямих спостережень приблизно до 17 кеВ — найнижчого заявленого енергетичного порога для нейтрино. Сигнал переважно формують так звані pp-нейтрино. 22

Як нейтрино залишає слід

Нейтрино майже не взаємодіють із речовиною. Однак іноді сонячне нейтрино стикається з електроном у рідкому ксеноні й передає йому невелику частину енергії. Така електронна віддача створює два сигнали:

• миттєвий спалах сцинтиляційного світла в рідкому ксеноні;
• другий спалах електролюмінесценції, коли вивільнені електрони витягують у газову фазу.

Співвідношення та час появи цих сигналів дають змогу відновити енергію події й визначити її положення в детекторі. Дослідникам не потрібно знаходити кожне окреме «зіткнення» нейтрино. Натомість вони аналізують статистичний розподіл великої кількості електронних віддач і порівнюють його з очікуваними радіоактивними та інструментальними фонами.

Важливе уточнення: показник близько 17 кеВ означає енергетичний діапазон нейтрино, доступний цьому вимірюванню, а не те, що кожен електрон отримує саме 17 кеВ. За наявними даними, у сигналі домінують pp-нейтрино. 22

Що таке pp-нейтрино і чому вони важливі

pp-нейтрино утворюються на першому етапі протон-протонного ланцюжка реакцій, завдяки якому в ядрі Сонця водень поступово перетворюється на гелій:

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

Саме цей ланцюжок забезпечує основну частину енергії Сонця. Тому pp-нейтрино є прямими «посланцями» термоядерного синтезу в сонячному ядрі.

Світлу потрібно багато часу, щоб пройти шлях від ядра до поверхні Сонця, а нейтрино майже відразу залишають область, де народилися. Їхнє вимірювання дає змогу безпосередніше перевірити реакції, які живлять Сонце, а не лише спостерігати наслідок цього процесу у вигляді сонячного світла.

Чому XENONnT зміг побачити такий слабкий сигнал

У центрі XENONnT розташована двофазна камера часової проєкції з активною мішенню масою 5,9 тонни рідкого ксенону. Велика кількість ксенону підвищує ймовірність рідкісних взаємодій, а одночасне вимірювання сцинтиляції та іонізації дає інформацію про енергію й координати події. 5

Головна проблема — не лише надзвичайна рідкість нейтринних взаємодій, а й фонові події. Радон та його дочірні продукти розпаду можуть створювати електронні віддачі, схожі на ті, що виникають під час розсіяння нейтрино на електронах.

Щоб зменшити цей фон, співпраця XENON розробила систему онлайн-кріогенної дистиляції. Вона безперервно видаляє радон із ксенону. Активність (^{222}\mathrm{Rn}) в робочому об’ємі вдалося знизити приблизно до (0,90\ \mu\mathrm{Бк/кг}) — рівня, за якого радоновий фон стає зіставним із неминучим фоном від сонячних нейтрино. 1819

Додаткову перевагу дає розташування лабораторії на великій глибині під горою Гран-Сассо: це зменшує кількість подій, спричинених космічними променями. У результаті слабкий нейтринний сигнал можна шукати за формою енергетичного спектра, а не намагатися відокремити його від величезної кількості випадкових спрацьовувань. 22

Чим новий результат відрізняється від вимірювання 2024 року

Нове вимірювання використовує інший канал взаємодії, ніж результат XENONnT, оголошений у 2024 році. Тоді співпраця шукала нейтрино бору-8 через когерентне пружне розсіяння нейтрино на ядрі — CEνNS. У цьому процесі нейтрино віддає імпульс усьому ядру атома ксенону, створюючи ядерну віддачу. Результат мав статистичну значущість 2,73σ, тобто був свідченням, а не відкриттям на рівні 5σ. 23

Нова робота стосується розсіяння нейтрино на електронах. Отже, XENONnT уже демонструє чутливість до двох різних типів сигналів від сонячних нейтрино:

• електронних віддач під час розсіяння на електронах — саме тут особливо важливі низькоенергетичні pp-нейтрино;
• ядерних віддач під час CEνNS — як у випадку з нейтрино бору-8.

Ці канали відкривають різні ділянки енергетичного спектра та дають змогу вивчати різні аспекти фізики Сонця.

«Нейтринний туман» як виклик для пошуку темної матерії

Для експериментів із прямого пошуку темної матерії сонячні нейтрино — водночас цінний сигнал і небажаний фон. Вони є реальною фізикою, яку можна вимірювати, але створені ними віддачі можуть нагадувати події від WIMP. Простим екрануванням цей фон не прибрати: нейтрино майже безперешкодно проходять крізь речовину.

Цей неминучий фон часто називають «нейтринним туманом». Це не абсолютно непроникна межа. Аналіз форми спектра, використання різних матеріалів-мішеней, визначення напрямку частинок і точніше знання потоків сонячних нейтрино можуть допомогти статистично відрізнити сигнал WIMP від нейтринного сигналу.

Однак зі зростанням чутливості це розрізнення стає дедалі складнішим, а систематичні похибки — важливішими. Попередній результат XENONnT щодо CEνNS нейтрино бору-8 став одним із перших безпосередніх проявів такого ядерного нейтринного фону в детекторі темної матерії. 12

Які можливості відкриє XLZD

Наступним кроком має стати XLZD — обсерваторія рідкого ксенону нового покоління. Її базова проєктна мішень становитиме близько 60 тонн, із можливістю збільшення до 80 тонн. Це приблизно на порядок більше активного ксенону, ніж у XENONnT, і значно підвищить статистику як для пошуку WIMP, так і для нейтринних вимірювань. 3235

Більша маса означатиме не просто більше подій. XLZD зможе точніше вимірювати потік та енергетичний спектр pp-нейтрино, а також досліджувати ймовірність того, що електронне нейтрино зберігає свій тип під час подорожі від Сонця до Землі. Паралельно обсерваторія має наблизити пошук темної матерії до області, де сигнали від WIMP перекриваються з «нейтринним туманом». 3239

Головний висновок XENONnT полягає в тому, що пошук темної матерії та нейтринна астрономія Сонця більше не є окремими напрямами. Та сама чистота, низький рівень шуму й технологія детектування, потрібні для пошуку надзвичайно рідкісної події від WIMP, дають змогу побачити майже невловимі сліди термоядерного синтезу в серці Сонця.