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在太陽深處，成對的質子融合形成更重的原子，在此過程中釋放出被稱為中微子的神秘粒子。這些反應被認為是太陽輻射能量的 99% 的鏈式反應的第一步，但科學家們直到現在才找到證據。物理學家們首次捕獲了太陽基本質子融合反應產生的難以捉摸的中微子。
地球應該充滿這種中微子——計算表明，每秒鐘大約有 4200 億個中微子從太陽流向我們星球表面每平方英寸的區域——但它們極其難以被發現。中微子幾乎從不與普通粒子相互作用，通常直接穿過我們身體和所有其他普通物質中原子之間的空隙。但偶爾它們會與原子碰撞並擊松一個電子，產生一道快速的閃光，對於極其靈敏的探測器是可見的。這就是義大利格蘭薩索國家實驗室的 Borexino 實驗發現它們的方式。它探測到所謂的 pp 中微子——由太陽中兩個質子的融合產生的中微子——是一項遠非有保證的壯舉。“它們的存在不成問題，但某個團隊是否有能力建造如此精巧的原始探測器，以即時地、逐個事件地看到這些低能量中微子，這才是問題所在，”加州大學伯克利分校的物理學家威克·哈克斯頓說，他沒有參與這項實驗。“Borexino 透過長期努力減少和理解背景事件來完成這項工作。”
[幻燈片：巨型實驗尋找微小中微子]
Borexino 使用一個裝有液體閃爍體的容器——一種設計用於在受到激發時發光的材料——該容器包含在一個大型球體中，周圍環繞著 1000 噸水，包裹在層層遮蔽層中，並埋在地下 1.4 公里處。這些防禦措施旨在將除中微子之外的所有東西都擋在外面，從而排除所有其他可能模擬訊號的背景輻射。“不幸的是，對於 pp 中微子來說，所有這些還不夠，”馬薩諸塞大學阿默斯特分校的安德烈亞·波卡爾說，他也是 Borexino 合作組織的成員，也是 8 月 28 日自然雜誌（大眾科學是自然出版集團的一部分）上發表的報告結果的論文的第一作者。
一些背景汙染無法遮蔽，因為它源於實驗內部。“主要的背景是閃爍體本身中碳 14 的存在，”波卡爾說。碳 14 是地球上常見的放射性同位素。其可預測的衰變時間表使考古學家能夠確定古代樣本的年代。然而，當碳 14 衰變時，會釋放出一個電子，產生與 pp 中微子非常相似的閃光。物理學家們不得不在一個狹窄的能量範圍內尋找，在這個範圍內，pp 中微子可以與錯誤的碳 14 衰變區分開來。即便如此，偶爾閃爍體中的兩個碳 14 原子會同時衰變，它們釋放的電子的能量可能會“堆積”在一起，從而完全模擬 pp 中微子閃光。“我們必須非常精確地理解這些堆積事件，並將它們減去，”波卡爾解釋說。該團隊發明了一種新的計數事件的方法，並收集了多年的資料，研究人員才確信他們已經分離出了一個真實訊號。“這是一項非常困難的測量，”安大略省女王大學的馬克·陳說，他沒有參與該專案。“Borexino 為淨化其探測器中的液體閃爍體所做的努力得到了回報。”
Borexino 對 pp 太陽中微子的發現是對物理學家描述太陽的主要理論模型的令人欣慰的證實。之前的實驗已經發現了更高能量的太陽中微子，它們是由涉及硼原子衰變的融合過程的後期階段產生的。但能量較低的 pp 中微子更難找到；它們的探測完善了太陽融合鏈的圖景，並支援了下一代地球中微子實驗的計劃。
這些基本粒子的一個奇怪特性是它們有三種味——稱為電子味、μ子味和τ子味——並且它們具有奇異的交換味的能力，或稱“振盪”。由於質子融合反應的複雜特性，所有太陽中微子都恰好以電子中微子的形式誕生。然而，當它們到達地球時，其中一部分已經變形為μ子中微子和τ子中微子。
每種中微子味都有略微不同的質量，儘管物理學家們還不確切知道這些質量是多少。確定質量以及它們在三種味之間的排列順序是當前中微子實驗的最重要目標之一。味之間的質量差異是影響中微子如何振盪的主要因素。
如果中微子在物質中傳播，它們與物質的相互作用也會改變它們的振盪速率。事實證明，較高能量中微子的振盪更容易受到物質的影響，從而導致它們更有可能振盪——因此，當它們到達地球時，作為電子中微子存活下來的數量更少。
安大略省的薩德伯裡中微子天文臺和日本的超級神岡探測器實驗在幾十年前探測到來自硼衰變的更高能量的太陽中微子時，就測量到了這種現象。現在，Borexino 的發現證實了這種效應：與之前的實驗測量的更高能量的中微子相比，Borexino 看到的能量較低的中微子中，有更多以電子味的形式持續存在。“這很重要，因為到目前為止，物質效應[主要]是在太陽中看到的，但我們希望在未來‘長基線中微子實驗’中在地球上利用這種效應，以充分確定中微子質量的模式，”哈克斯頓說。*
這些實驗，例如費米國家加速器實驗室計劃於 2022 年開放的長基線中微子實驗 (LBNE)，將探測中微子在物質中傳播時如何振盪。這些專案不是使用太陽中微子，而是在粒子加速器中產生強大的中微子束，並微調它們的路徑以進行精確測量。費米實驗室的實驗將從其芝加哥附近的基礎實驗室到南達科他州的桑福德地下研究設施產生中微子流。當這些中微子在穿越大約 1285 公里的地幔（所謂的“長基線”）的旅程中飛行時，許多中微子會發生振盪。透過研究地幔物質如何與不同的味相互作用以影響它們的振盪速率，研究人員希望揭示哪些中微子味更輕，哪些更重。
反過來，解決中微子質量之謎可能會指向比當前標準模型更深入的粒子物理學理論，當前標準模型沒有解釋中微子質量。Borexino 最新的精確中微子測量壯舉表明，實驗最終變得足夠強大，可以從這些難以捉摸的粒子中撬出這些秘密。
*更正（2014 年 9 月 2 日）：這句話在釋出後經過編輯。它最初宣告物質效應到目前為止僅在太陽中被觀察到。事實上，地球物質效應在今年早些時候被超級神岡探測器實驗觀察到。