太陽「幽靈粒子」首被檢測到，太陽核聚變的最後秘密即將揭曉

2020-12-16 科學大觀園雜誌

NASA觀測到的太陽X射線流。

phys.org網站當地時間12月14日報導，位於義大利地下深處的Borexino探測器完成了一項幾乎不可能完成的任務：首次探測到了太陽核心的碳、氮、氧（CNO）中微子。相關論文發表在《自然》雜誌上。

這一結果為直接測量太陽金屬豐度鋪平了道路，有望揭開為太陽及其他恆星提供能量的聚變循環終極秘密。

中微子也被稱作「幽靈粒子」，它們能夠不留痕跡地穿過大多數物質。當Borexino探測器發現CNO中微子的消息傳出時，科學界震驚了。這一發現不僅可以幫助人類深入了解太陽內部的運轉原理，還能幫助科學家解決一個重要的恆星物理學問題——太陽內部的金屬構成比例。

CNO「幽靈粒子」的成功檢測證實了科學家在20世紀30年代的預測，即太陽的部分能量是由碳、氮、氧（CNO）反應提供的。研究還量化了CNO反應產生的能量不足太陽能量的1%，但它是較大恆星的主要能源。CNO反應會釋放出兩種中微子、其他亞原子粒子和能量。雖然氫-氦聚變過程也會釋放出中微子，但兩種中微子的光譜特徵存在差異——這是科學家能夠對它們進行區分的基礎。

中微子的測定極其困難，因為這些「幽靈粒子」在穿過地球期間幾乎不會與任何物質產生相互作用。科學家們必須使用龐大的高靈敏度儀器才能探測到它們的存在——一小部分中微子與Borexino探測器的液態碳氫化合物中的電子發生反射，形成能被光子傳感器探測到的閃光。

在探測CNO中微子的過程中，研究人員受到了放射性背景的幹擾。

普林斯頓大學物理學教授、Borexino項目主要負責人Frank Calaprice說：「在過去30年中，我們一直在嘗試抑制放射性背景。」

Borexino探測器發現的中微子大部分為質子-質子中微子，少數為可識別CNO中微子。然而，CNO中微子與設備洩露的釙-210放射性衰變粒子非常相似。為了處理釙汙染問題，維吉尼亞理工大學的研究人員為設備安裝了一系列溫度探測器，精確繪製了溫度分布圖，以大幅降低設備內的流體流速。

Calaprice說：「如果流體運動能夠被減緩到適宜程度，我們每天就可以觀測到大約5次由CNO中微子引發的低能反衝。」而為了進一步處理流體波動問題，普林斯頓大學等構建了活性溫度控制系統（ATCS）。努力最終有了回報——消除放射性背景為Borexino探測器創造了低背景區域，使CNO中微子測定具備了可行性。」

在發現CNO中微子之前，研究人員曾計劃在2020年底結束Borexino項目。現在看來，數據收集任務可能會延長至2021年。

原創編譯：德克斯特 審稿：西莫 責編：陳之涵

期刊來源：《自然》

期刊編號：0028-0836

原文連結：https://phys.org/news/2020-12-massive-underground-instrument-secret-sun.html

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