中微子實驗完美收官!科學家破解太陽核聚變的所有方式

2020-11-25 騰訊網

來源：ESA/NASA

通過捕捉恆星核心發出的中微子，物理學家終於了解到核聚變為太陽提供能量的最後一個缺失環節。

這次探測證實了科學家們幾十年來的理論預測——即太陽的部分能量是由碳和氮核的一系列反應產生的。這個過程將4個質子聚合成一個氦原子核，釋放出2個中微子(已知物質中最輕的基本粒子)，以及其他亞原子粒子和大量的能量。這種碳氮(CN)反應並不是太陽唯一的聚變方式，它產生的能量還不到太陽能量的1%，但科學家們認為它是較大恆星的主要能量來源方式。

俄亥俄州立大學哥倫布分校的天體物理學家Marc Pinsonneault說：「能夠證實恆星結構理論的一個基本預測真是充滿了智慧的美麗。」

6月23日，在虛擬中微子2020會議上，義大利中部的Borexino地下實驗報告了這一尚未經過同行評審的發現。

該實驗此前曾經首次直接探測到中微子，這些中微子來自一個單獨反應的三個不同步驟，而這個反應佔了太陽核聚變的大部分。義大利米蘭大學的物理學家Gioacchino Ranucci是Borexino的聯合發言人，他展示了這個研究結果，並表示：「有了這個結果，Borexino已經完全闡明了為太陽提供能量的兩個過程。」

這些發現是Borexino的最後一個裡程碑，該實驗仍在採集數據，但現在可能已經註定會在一年內關閉。該實驗的另一位聯合發言人、義大利熱那亞大學的馬可•帕拉維西尼(Marco Pallavicini)說：「我們以一個驚人的發現結束了實驗。」

氣球探測器

Borexino太陽中微子實驗位於Gran Sasso國家實驗室的地下，深度超過1公裡，從2007年開始，Borexino太陽中微子實驗就已經開始在這裡運行。探測器由一個巨大的尼龍氣球組成，氣球裡面裝滿了278噸的液態碳氫化合物，並且浸沒在水中。絕大多數來自太陽的中微子會以直線的方式穿過地球，但有一小部分中微子遇到碳氫化合物的時候會跟氫發生反應，生成一個正電子和一個中子，並產生閃光，水箱中排列有許多光子傳感器來捕捉這些閃光。

來自太陽碳氮反應鏈的中微子相對較少，因為它只佔太陽聚變的一小部分。此外，CN中微子也很容易與鉍-210放射性衰變產生的中微子混淆。鉍-210是一種同位素，這種同位素會從氣球的尼龍洩漏到碳氫化合物混合物中。

雖然這種汙染的濃度極低(在Borexino內每天最多衰變幾十個鉍原子核)，但從鉍噪音中分離出太陽信號需要從2014年就開始艱苦努力。我們無法阻止鉍-210從氣球中洩漏出來，所以我們的目標是減慢元素滲透到液體中的速度，同時忽略外部邊緣的任何信號。為了做到這一點，研究小組必須控制整個容器出現的所有溫度不平衡，因為這種不平衡會產生對流，加速容器內物質的混合。「液體必須非常要靜止，每月最多移動零點幾釐米，」Pallavicini說。

為了使碳氫化合物保持恆定、均勻的溫度，研究人員將整個水箱包裹在隔熱毯中，並安裝熱交換器來自動平衡整個燃料箱的溫度。然後，他們就開始了漫長的等待。直到2019年，鉍的噪音變得足夠安靜之後，中微子信號才凸顯了出來。到2020年初，研究人員終於收集到足夠的粒子，能夠宣稱實驗發現了從CN核聚變鏈中探測到的中微子。

西班牙巴塞隆納空間科學研究所的天體物理學家阿爾多·塞雷利(Aldo Serenelli)說：「這是首個證明氫通過碳氮反應在恆星中燃燒的真正直接證據。所以這真的很神奇。」

太陽表面的猜測

對CN中微子的探測不僅證實了有關太陽能量來源的理論預測，還可以闡明太陽核心的結構——特別是被天體物理學家稱為金屬元素(任何比氫和氦重的元素)的濃度。

Borexino實驗觀測到的中微子數量似乎與標準模型的一致，在標準模型中，太陽核心與表面的「金屬豐度」相似。但是Serenelli說，更多最新的研究已經開始質疑這一個假設。

這些研究表明太陽的金屬豐度較低。由於這些元素會調節熱量從太陽核心擴散的速度，這意味著研究認為太陽核心的溫度比之前的估計略低。中微子的產生對溫度極其敏感，從總體上看，Borexino實驗觀測到的不同數量的中微子似乎與舊的金屬豐度值一致，Serenelli說。

他和其他天體物理學家提出了一種可能的解釋，認為太陽核心的金屬豐度要高於外層。它的組成可以揭示更多關於太陽生命早期階段的信息。(在太陽生命的早期階段，行星還沒有形成，而行星的形成會帶走一些積聚在年輕恆星上的金屬。)

【編譯/前瞻經濟學人APP資訊組】

參考資料：https://www.scientificamerican.com/article/neutrinos-reveal-final-secret-of-suns-nuclear-fusion/

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