Что является источником энергии Солнца? Подробное изучение этого вопроса позволяет выделить несколько типов солнечных термоядерных реакций. Единственным отличительным признаком реакций разных типов, доступным наблюдению с Земли, может служить поток нейтрино, испускаемых на промежуточных стадиях в этих реакциях. В принципе этот поток может быть с высокой точностью измерен земными детекторами, поскольку нейтрино крайне слабо взаимодействуют с веществом — через внешние слои Солнца они проникают практически беспрепятственно.
Начиная с 1967 г. Р. Дэвис-младший из Брукхейвенской национальной лаборатории проводил измерения потока солнечных нейтрино с помощью детектора, расположенного в золотоносной шахте Хоумстейк (шт. Южная Дакота). Полученные им результаты озадачили физиков-теоретиков: измеренный поток солнечных нейтрино оказался в четыре раза меньше предсказанного. И лишь недавно четверо физиков из Университета шт. Огайо предложили новую схему реакции синтеза гелия, которая позволяет решить возникшую проблему. Работа физиков из Огайо опубликована в журнале «Physical Review Letters».
Частицы с дробным зарядом, если они вообще существуют, должны встречаться крайне редко. Положение о том, что все электрические заряды кратны заряду электрона, стало общепризнанным как одно из основных свойств материи со времени опытов Р.Малликена в начале нашего столетия. Однако, согласно созданной в последнее десятилетие теории квантовой хромодинамики (КХД), вся ядерная материя состоит из кварков — частиц с зарядом, равным ХЛ или Уз заряда электрона. В большинстве вариантов теории КХД отвергается возможность существования кварков в свободном виде — они могут находиться только в связанном состоянии, образуя частицы с целочисленным зарядом.
Например, протон состоит из двух u-кварков с зарядом 2/3 каждый и одного d-кварка с зарядом -1/3, суммарный заряд равен Хотя КХД и не предсказывает существования связанных состояний кварков с дробным результирующим зарядом, имеются экспериментальные данные, указывающие на возможность их обнаружения. В 1981 г. У.Фейрбэнк, Дж. Лару и Дж.Филлипс из Станфорлского университета сообщили об обнаружении дробного электрического заряда у крохотного ниобиевого шарика. Хотя результат стэндфордских физиков не был подтвержден другими экспериментами, высокая точность их опыта не позволяет его не учитывать.
Физики-теоретики из Университета шт. Огайо предполагают в своей работе, что на Солнце ядра с дробным зарядом служат катализатором в ранее неизвестном цикле нуклеосинтеза гелия. До сих пор в качестве источников солнечной энергии рассматривались два основных цикла ядерных реакций. Первый, в ходе которого выделяется основная часть энергии, начинается с объединения двух протонов в ядро дейтерия, поэтому его называют водородным, или протон-протонным (рр), циклом. На этой стадии (ветви) происходит испускание нейтрино, однако средняя энергия этих нейтрино слишком мала, чтобы их можно было обнаружить с помощью детектора Дэвиса.
Нейтрино с более высокой энергией, доступные наблюдению, испускаются на последующих стадиях рр-цикла. Согласно стандартной солнечной модели, в реакциях этого цикла синтезируется 98% всего гелия и высвобождается 98% излучаемой Солнцем энергии. Вторым основным типом термоядерных реакций на Солнце является так называемый углеродно-азотный (CNO) цикл. Впервые его предложили в 1939 г. независимо друг от друга X. Бете из Корнеллского университета и К. фон Вейцзеккер.
В ходе этого цикла ядра углерода-12 захватывают один за другим три протона, в результате чего образуются все более тяжелые ядра. Захват протонов продолжается до образования ядер азота-15, каждое из которых состоит из 7 протонов и 8 нейтронов. После захвата четвертого протона образовавшееся ядро распадается на ядро гелия и ядро углерода-12 и цикл начинается сначала. Согласно стандартной солнечной модели, на долю CNO-цикла приходится 2% излучаемой Солнцем энергии. При относительно небольших изменениях температуры термоядерных реакций в недрах Солнца регистрируемый земными приборами поток высокоэнергетических нейтрино может изменяться в широких пределах.
Это навело исследователей из Огайо на мысль о том, что можно согласовать наблюдаемый поток нейтрино с теоретически предсказанным, если предположить, что температура в той области Солнца, из которой они излучаются, несколько меньше, чем считалось ранее. Например, если температура меньше на миллион градусов Кельвина (13,4 млн. градусов вместо 14,4 млн. градусов), то поток нейтрино с энергией, достаточной для регистрации, уменьшится в четыре раза.
