物理學家們透過捕捉來自太陽核心的中微子，填補了核聚變驅動太陽的最後一個缺失的細節。
這項探測證實了幾十年前的理論預測，即太陽的部分能量是由涉及碳和氮核的一系列反應產生的。這個過程將四個質子聚變成一個氦核，釋放出兩個中微子——已知最輕的基本物質粒子——以及其他亞原子粒子和大量的能量。這種碳氮（CN）反應不是太陽唯一的聚變途徑——它產生的能量不到太陽能量的1%——但人們認為它是更大恆星中的主要能量來源。
“真正證實恆星結構理論的基本預測之一，這在智力上是令人愉悅的，”哥倫布市俄亥俄州立大學的天體物理學家馬克·平森諾特說。
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這些尚未經過同行評審的發現，由義大利中部博雷西諾地下實驗站在6月23日的虛擬中微子2020會議上報告。
該設施此前曾首次直接探測到來自一個獨立反應的三個不同步驟的中微子，該反應占太陽大部分聚變。“有了這個結果，博雷西諾已經完全解開了驅動太陽的兩個過程，”米蘭大學的物理學家、博雷西諾聯合發言人喬阿基諾·拉努奇說，他介紹了這些結果。
這些發現是博雷西諾的最後一個里程碑，它仍在收集資料，但現在可能會在一年內關閉。“我們以一聲巨響結束，”義大利熱那亞大學的馬可·帕拉維奇尼說，他是該實驗的另一位聯合發言人。
氣球探測器
博雷西諾太陽中微子實驗裝置位於格蘭薩索國家實驗室地下超過1公里的一個大廳中，自2007年以來一直在執行。探測器由一個巨大的尼龍氣球組成，裡面裝有278噸液態碳氫化合物，並浸泡在水中。來自太陽的大部分中微子以直線穿過地球——和博雷西諾——，但極少數會從碳氫化合物中的電子上反彈，產生光閃爍，這些光閃爍被排列在水箱上的光子感測器拾取。
來自太陽CN反應鏈的中微子相對稀有，因為它僅佔太陽聚變的一小部分。此外，CN中微子很容易與鉍-210放射性衰變產生的中微子混淆，鉍-210是一種從氣球尼龍洩漏到碳氫化合物混合物中的同位素。
儘管汙染物以極低的濃度存在——博雷西諾內部每天最多隻有幾十個鉍核衰變——但將太陽訊號與鉍噪聲分離需要從2014年開始的艱苦努力。鉍-210無法阻止從氣球中洩漏出來，因此目標是減緩該元素滲入流體中間的速度，同時忽略來自外邊緣的任何訊號。為此，該團隊必須控制罐體內的任何溫度不平衡，這會產生對流並更快地混合其內容物。“液體必須非常靜止，每月最多移動十分之幾釐米，”帕拉維奇尼說。
為了保持碳氫化合物處於恆定、均勻的溫度，他們用絕緣毯包裹了整個罐體，並安裝了熱交換器以自動平衡整個罐體的溫度。然後，他們等待。直到2019年，鉍噪聲才變得足夠安靜，中微子訊號才能突出出來。到2020年初，研究人員已經收集了足夠的粒子，聲稱發現了來自CN核聚變鏈的中微子。
巴塞羅那空間科學研究所的天體物理學家阿爾多·塞雷內利說：“這是氫透過CN燃燒在恆星中執行的第一個真正直接的證據。” “所以這真的很了不起。”
太陽表面推測
除了證實關於什麼驅動太陽的理論預測外，CN中微子的探測還可以揭示核心的結構——特別是天體物理學家稱之為金屬的元素濃度（任何比氫和氦重的物質）。
博雷西諾看到的中微子數量似乎與標準模型一致，在標準模型中，太陽核心的“金屬性”與其表面相似。但塞雷內利說，更最新的研究已經開始質疑這一假設。
這些研究表明，金屬性較低。並且由於這些元素調節熱量從太陽核心擴散的速度，這意味著核心比之前的估計略冷。中微子產生對溫度極其敏感，並且綜合來看，博雷西諾看到的各種中微子數量似乎與較舊的金屬性值一致，塞雷內利說——而不是與新的金屬性值一致。
作為一種可能的解釋，他和一些其他天體物理學家已經提出，核心的金屬性高於外層。它的組成可能揭示更多關於太陽生命早期階段的資訊，在行星形成之前，行星的形成移除了吸積到年輕恆星上的一些金屬。
本文經許可轉載，並於首次發表於2020年6月24日。