中微子揭示了太陽核聚變的最終秘密

對太陽核心中產生的粒子的檢測印證了關於恆星如何被供電的長期存在的理論

美國國家航空航天局（NASA）的太陽和日球天文臺看到的太陽。

物理學家通過捕獲恆星核心產生的中微子，填補了核聚變如何為太陽提供動力的最後一個遺漏的細節。

這項探測證實了數十年前的理論預測，即太陽的某些能量是由一系列涉及碳和氮核的反應產生的。該過程將四個質子融合在一起形成氦核，釋放出兩個中微子（最輕的已知物質基本粒子）以及其他亞原子粒子和大量能量。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的1％，但它被認為是較大恆星中的主要能源。

哥倫布俄亥俄州立大學的天體物理學家馬克·平索諾（Marc Pinsonneault）說：「實際上確認恆星結構理論的基本預測之一，從智力上講是很美的。」

6月23日，義大利中部的Borexino地下實驗室在虛擬Neutrino 2020會議上報告了尚未進行同行評審的研究結果。

該設施以前是從一個獨立反應的三個不同步驟中首次直接檢測中微子，這是太陽大部分聚變的原因。義大利米蘭大學物理學家博埃羅西諾（Robosino）聯合發言人喬奧基諾·拉努奇（Gioacchino Ranucci）說：「有了這個結果，博雷西諾就徹底弄清了為太陽提供動力的兩個過程。」

該發現是Borexino的最後一個裡程碑，該公司仍在收集數據，但現在註定要在一年內關閉。該實驗的另一位發言人，義大利熱那亞大學的Marco Pallavicini說：「我們以爆炸告終。」

氣球探測器

Borexino太陽中微子實驗自2007年以來一直在格蘭薩索國家實驗室（Gran Sasso National Laboratories）超過1公裡的巖石下的一個大廳內進行。探測器由一個裝有278噸液態烴的巨型尼龍氣球組成，並浸入水中在水裡。來自太陽的絕大部分中微子都直線穿過地球和硼砂礦，但是只有極少數的中微子從碳氫化合物中的電子彈回，並產生閃光，然後由水箱內襯的光子傳感器捕獲。

來自太陽的CN反應鏈的中微子相對較少，因為它只負責太陽聚變的一小部分。此外，CN中微子容易與鉍210放射性衰變產生的那些混淆，鉍210是一種從氣球的尼龍洩漏到烴混合物中的同位素。

儘管汙染物的濃度極低（每天在Borexino內最多幾十個鉍核衰變），但要將太陽能信號與鉍噪聲隔離開來，卻需要從2014年開始進行艱苦的努力。無法阻止Bi-210洩漏。因此，目標是減慢元素滲入流體中間的速度，同時忽略來自外邊緣的任何信號。為此，團隊必須控制整個儲罐內的溫度不平衡，這會產生對流並更快地混合其內含物。「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。

為了使碳氫化合物保持恆定，均勻的溫度，他們將整個儲罐包裹在絕緣毯中，並安裝了熱交換器以自動平衡整個溫度。然後，他們等待著。直到2019年，鉍聲變得足夠安靜，中微子信號才得以脫穎而出。到2020年初，研究人員已經收集了足夠多的顆粒，聲稱發現了從CN核聚變鏈中檢測中微子的發現。

「這是第一個真正直接的證據表明，通過CN燃燒的氫在恆星中起作用，」西班牙巴塞隆納空間科學研究所的天體物理學家Aldo Serenelli說。「所以這真的很棒。」

太陽表面投機

除了證實有關對太陽產生動力的理論預測之外，對CN中微子的探測還可以揭示核的結構，特別是天體物理學家稱之為金屬（比氫和氦重的元素）的元素濃度。

Borexino看到的中微子數量似乎與標準模型相符，在標準模型中，太陽的核心與其表面具有相似的「金屬性」。Serenelli說，但是更多的最新研究已經開始質疑這一假設。

這些研究表明金屬性較低。而且由於這些元素調節著熱量從太陽核心擴散的速度，因此這意味著核心比以前的估計要冷一些。Serenelli說，中微子的產生對溫度極為敏感，總的來說，Borexino看到的各種數量的中微子似乎與舊的金屬度值一致，而不是新的。

作為一種可能的解釋，他和其他天體物理學家建議，該核具有比外層更高的金屬性。它的成分可以揭示更多有關太陽生命早期階段的信息，這是因為在行星形成之前，已除去了積聚在年輕恆星上的某些金屬。

來源：科學美國人

FY：二師兄

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