Как известно, на Солнце в результате термоядерных реакций водород превращается в гелий. Последовательность таких реакций назвали протон-протонным циклом, основная реакция которого - превращение протонов в дейтрон:
p+ p+ –> d+ νe e+
В результате этой реакции образуется основной поток электронных нейтрино, который по оценкам составляет 6*10
10 нейтрино/(см
2*сек) и она же определяет количество нейтрино, которые образуются в последующих реакциях цикла.
Раньше считалось, что температура на Солнце недостаточно высока для того, чтобы протоны образовали дейтрон. Ведь для того, чтобы просто сблизиться, протонам нужна энергия примерно 0.4 МэВ, а это соответствует температуре 5 млрд. градусов. Однако на Солнце, даже в ядре, температура примерно в 300 раз меньше - 14 млн. градусов. Т.е. средняя энергия протонов там всего 1.5 КэВ!
Выход нашли в том, что согласно максвелловскому распределению у какого-то небольшого числа протонов энергия может быть гораздо выше средней. Вполне правдоподобно, если учесть, что некоторые реакции протон-протонного цикла имеют энергетический выход более 10 МэВ.
Придумали также квантовые туннельные переходы, которые позволяют протонам сблизиться, с энергией намного меньшей, чем энергия кулоновского барьера.
И вот, несмотря на то, что данная реакция по расчетам очень редкая, количество теоретических электронных нейтрино получается в 2-3 раза больше, чем регистрируется на Земле.
Что называется, переборщили :)
С помощью
мезонной интерпретации слабых взаимодействий можно попытаться объяснить данный факт без привлечения каких-то дополнительных экзотических гипотез, типа осцилляции нейтрино. В любом случае, вероятность осуществления основной реакции протон-протонного цикла следует пересмотреть в сторону уменьшения.
Для того, чтобы понять, почему это нужно сделать, рассмотрим сначала другую реакцию, которая называется обратным бета-распадом:
ν̃e p+ –> n e+
Несложно заметить ее сходство с реакцией образования дейтрона, где также образуется нейтрон, который там объединяется с протоном в ядро дейтерия. В обоих случаях при этом появляется позитрон.
Рассчитаем минимальную энергию, которую необходимо затратить для того, чтобы реакция обратного бета-распада имела место. Для этого сложим массы (энергии покоя) нейтрона и позитрона и отнимем от них массу протона:
n + e - p = 939.565 + 0.511 - 938.272 = 1.804 МэВ
Полученное значение энергии реакции, которое, кстати, подтверждается экспериментально, прекрасно объясняет, каким образом данная реакция происходит:
ν̃e p+ –> ν̃e p+ A− A+ –> ν̃e p+ A− (νe e+) –> n e+
При столкновении антинейтрино с протоном сначала образуется пара мезонов, минимальная масса которых 0.511 МэВ. Затем отрицательный мезон образует с протоном нейтрон, для чего требуется 0.782 МэВ. А положительный мезон, при поглощении антинейтрино, превращается в позитрон.
0.511 + 0.511 + 0.782 = 1.804
В результате получаются те же 1.804 МэВ! При меньшей энергии антинейтрино реакция обратного бета-распада просто не происходит.
Если аналогичным образом протекает синтез дейтрона:
p+ p+ –> p+ p+ A− A+ –> p+ n (νe e+) –> d+ νe e+
то энергия каждого из двух протонов должна быть не менее 0.511МэВ, иначе пара мезонов просто не сможет образоваться! Никакое квантовое тунеллирование, в данном случае, обойти закон сохранения энергии не в состоянии. А значит, вероятность основной реакции протон-протонного цикла будет существенно ниже и солнечных нейтрино, следовательно, значительно меньше.
Нужно также сказать, что сечение данной реакции, которое используется в расчетах протон-протонного цикла, получено только теоретически, т.к.
"из-за ее крайне малой вероятности невозможно выполнить соответствующие измерения в лаборатории".
Т.е. эксперименты для подтверждения расчетов не проводились!
Что очень странно, учитывая важность этой реакции для модели Солнца и то, что для нейтринных экспериментов, где сечение также очень низкое, денег не жалеют.
Здесь же достаточно простенького коллайдера на встречных протонах, который способен разогнать их до энергии всего нескольких сотен КэВ!
Я буду несказанно удивлен, если хоть один дейтрон синтезируется на таком коллайдере при энергии протонов менее 0.5 МэВ :)
Для полноты картины приведем расчет энергии реакции синтеза дейтрона, аналогичный тому, который сделали для обратного бета-распада:
p + p - d - e = 938.272 + 938.272 - 1875.613 - 0.511 = 0.42 МэВ
Те же 0.42 МэВ получаются, если сложить:
- затраты энергии на образование пары мезон-антимезон: - 2*0.511 МэВ.
- затраты энергии на образование нейтрона из протона и отрицательного мезона: - 0.782 МэВ
- выделение энергии при образовании дейтрона из нейтрона и протона: + 2.225 МэВ
Таким образом, для солнечных температур в протон-протонном цикле гораздо более реальна другая реакция образования дейтрона, когда два протона сталкиваются, притянутые электроном:
p+ e− p+ –> d+ νe
В данном случае никаким дополнительным частицам рождаться нет необходимости, а электрон облегчает протонам сближение друг с другом.
P.S. Кстати, из реакции обратного бета-распада получается верхнее ограничение на массу А-мезона. Она не может превышать 0.902 МэВ и лежит, таким образом, в пределах 0.511 - 0.902 МэВ