物理学家们通过捕捉来自太阳核心的中微子，填补了核聚变驱动太阳的最后一个缺失的细节。
这项探测证实了几十年前的理论预测，即太阳的部分能量是由涉及碳和氮核的一系列反应产生的。这个过程将四个质子聚变成一个氦核，释放出两个中微子——已知最轻的基本物质粒子——以及其他亚原子粒子和大量的能量。这种碳氮（CN）反应不是太阳唯一的聚变途径——它产生的能量不到太阳能量的1%——但人们认为它是更大恒星中的主要能量来源。
“真正证实恒星结构理论的基本预测之一，这在智力上是令人愉悦的，”哥伦布市俄亥俄州立大学的天体物理学家马克·平森诺特说。
关于支持科学新闻业
如果您喜欢这篇文章，请考虑支持我们屡获殊荣的新闻业，方式是 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
这些尚未经过同行评审的发现，由意大利中部博雷西诺地下实验站在6月23日的虚拟中微子2020会议上报告。
该设施此前曾首次直接探测到来自一个独立反应的三个不同步骤的中微子，该反应占太阳大部分聚变。“有了这个结果，博雷西诺已经完全解开了驱动太阳的两个过程，”米兰大学的物理学家、博雷西诺联合发言人乔阿基诺·拉努奇说，他介绍了这些结果。
这些发现是博雷西诺的最后一个里程碑，它仍在收集数据，但现在可能会在一年内关闭。“我们以一声巨响结束，”意大利热那亚大学的马可·帕拉维奇尼说，他是该实验的另一位联合发言人。
气球探测器
博雷西诺太阳中微子实验装置位于格兰萨索国家实验室地下超过1公里的一个大厅中，自2007年以来一直在运行。探测器由一个巨大的尼龙气球组成，里面装有278吨液态碳氢化合物，并浸泡在水中。来自太阳的大部分中微子以直线穿过地球——和博雷西诺——，但极少数会从碳氢化合物中的电子上反弹，产生光闪烁，这些光闪烁被排列在水箱上的光子传感器拾取。
来自太阳CN反应链的中微子相对稀有，因为它仅占太阳聚变的一小部分。此外，CN中微子很容易与铋-210放射性衰变产生的中微子混淆，铋-210是一种从气球尼龙泄漏到碳氢化合物混合物中的同位素。
尽管污染物以极低的浓度存在——博雷西诺内部每天最多只有几十个铋核衰变——但将太阳信号与铋噪声分离需要从2014年开始的艰苦努力。铋-210无法阻止从气球中泄漏出来，因此目标是减缓该元素渗入流体中间的速度，同时忽略来自外边缘的任何信号。为此，该团队必须控制罐体内的任何温度不平衡，这会产生对流并更快地混合其内容物。“液体必须非常静止，每月最多移动十分之几厘米，”帕拉维奇尼说。
为了保持碳氢化合物处于恒定、均匀的温度，他们用绝缘毯包裹了整个罐体，并安装了热交换器以自动平衡整个罐体的温度。然后，他们等待。直到2019年，铋噪声才变得足够安静，中微子信号才能突出出来。到2020年初，研究人员已经收集了足够的粒子，声称发现了来自CN核聚变链的中微子。
巴塞罗那空间科学研究所的天体物理学家阿尔多·塞雷内利说：“这是氢通过CN燃烧在恒星中运行的第一个真正直接的证据。” “所以这真的很了不起。”
太阳表面推测
除了证实关于什么驱动太阳的理论预测外，CN中微子的探测还可以揭示核心的结构——特别是天体物理学家称之为金属的元素浓度（任何比氢和氦重的物质）。
博雷西诺看到的中微子数量似乎与标准模型一致，在标准模型中，太阳核心的“金属性”与其表面相似。但塞雷内利说，更最新的研究已经开始质疑这一假设。
这些研究表明，金属性较低。并且由于这些元素调节热量从太阳核心扩散的速度，这意味着核心比之前的估计略冷。中微子产生对温度极其敏感，并且综合来看，博雷西诺看到的各种中微子数量似乎与较旧的金属性值一致，塞雷内利说——而不是与新的金属性值一致。
作为一种可能的解释，他和一些其他天体物理学家已经提出，核心的金属性高于外层。它的组成可能揭示更多关于太阳生命早期阶段的信息，在行星形成之前，行星的形成移除了吸积到年轻恒星上的一些金属。
本文经许可转载，并于首次发表于2020年6月24日。