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在太阳深处，成对的质子融合形成更重的原子，在此过程中释放出被称为中微子的神秘粒子。这些反应被认为是太阳辐射能量的 99% 的链式反应的第一步，但科学家们直到现在才找到证据。物理学家们首次捕获了太阳基本质子融合反应产生的难以捉摸的中微子。
地球应该充满这种中微子——计算表明，每秒钟大约有 4200 亿个中微子从太阳流向我们星球表面每平方英寸的区域——但它们极其难以被发现。中微子几乎从不与普通粒子相互作用，通常直接穿过我们身体和所有其他普通物质中原子之间的空隙。但偶尔它们会与原子碰撞并击松一个电子，产生一道快速的闪光，对于极其灵敏的探测器是可见的。这就是意大利格兰萨索国家实验室的 Borexino 实验发现它们的方式。它探测到所谓的 pp 中微子——由太阳中两个质子的融合产生的中微子——是一项远非有保证的壮举。“它们的存在不成问题，但某个团队是否有能力建造如此精巧的原始探测器，以实时地、逐个事件地看到这些低能量中微子，这才是问题所在，”加州大学伯克利分校的物理学家威克·哈克斯顿说，他没有参与这项实验。“Borexino 通过长期努力减少和理解背景事件来完成这项工作。”
[幻灯片：巨型实验寻找微小中微子]
Borexino 使用一个装有液体闪烁体的容器——一种设计用于在受到激发时发光的材料——该容器包含在一个大型球体中，周围环绕着 1000 吨水，包裹在层层屏蔽层中，并埋在地下 1.4 公里处。这些防御措施旨在将除中微子之外的所有东西都挡在外面，从而排除所有其他可能模拟信号的背景辐射。“不幸的是，对于 pp 中微子来说，所有这些还不够，”马萨诸塞大学阿默斯特分校的安德烈亚·波卡尔说，他也是 Borexino 合作组织的成员，也是 8 月 28 日自然杂志（大众科学是自然出版集团的一部分）上发表的报告结果的论文的第一作者。
一些背景污染无法屏蔽，因为它源于实验内部。“主要的背景是闪烁体本身中碳 14 的存在，”波卡尔说。碳 14 是地球上常见的放射性同位素。其可预测的衰变时间表使考古学家能够确定古代样本的年代。然而，当碳 14 衰变时，会释放出一个电子，产生与 pp 中微子非常相似的闪光。物理学家们不得不在一个狭窄的能量范围内寻找，在这个范围内，pp 中微子可以与错误的碳 14 衰变区分开来。即便如此，偶尔闪烁体中的两个碳 14 原子会同时衰变，它们释放的电子的能量可能会“堆积”在一起，从而完全模拟 pp 中微子闪光。“我们必须非常精确地理解这些堆积事件，并将它们减去，”波卡尔解释说。该团队发明了一种新的计数事件的方法，并收集了多年的数据，研究人员才确信他们已经分离出了一个真实信号。“这是一项非常困难的测量，”安大略省女王大学的马克·陈说，他没有参与该项目。“Borexino 为净化其探测器中的液体闪烁体所做的努力得到了回报。”
Borexino 对 pp 太阳中微子的发现是对物理学家描述太阳的主要理论模型的令人欣慰的证实。之前的实验已经发现了更高能量的太阳中微子，它们是由涉及硼原子衰变的融合过程的后期阶段产生的。但能量较低的 pp 中微子更难找到；它们的探测完善了太阳融合链的图景，并支持了下一代地球中微子实验的计划。
这些基本粒子的一个奇怪特性是它们有三种味——称为电子味、μ子味和τ子味——并且它们具有奇异的交换味的能力，或称“振荡”。由于质子融合反应的复杂特性，所有太阳中微子都恰好以电子中微子的形式诞生。然而，当它们到达地球时，其中一部分已经变形为μ子中微子和τ子中微子。
每种中微子味都有略微不同的质量，尽管物理学家们还不确切知道这些质量是多少。确定质量以及它们在三种味之间的排列顺序是当前中微子实验的最重要目标之一。味之间的质量差异是影响中微子如何振荡的主要因素。
如果中微子在物质中传播，它们与物质的相互作用也会改变它们的振荡速率。事实证明，较高能量中微子的振荡更容易受到物质的影响，从而导致它们更有可能振荡——因此，当它们到达地球时，作为电子中微子存活下来的数量更少。
安大略省的萨德伯里中微子天文台和日本的超级神冈探测器实验在几十年前探测到来自硼衰变的更高能量的太阳中微子时，就测量到了这种现象。现在，Borexino 的发现证实了这种效应：与之前的实验测量的更高能量的中微子相比，Borexino 看到的能量较低的中微子中，有更多以电子味的形式持续存在。“这很重要，因为到目前为止，物质效应[主要]是在太阳中看到的，但我们希望在未来‘长基线中微子实验’中在地球上利用这种效应，以充分确定中微子质量的模式，”哈克斯顿说。*
这些实验，例如费米国家加速器实验室计划于 2022 年开放的长基线中微子实验 (LBNE)，将探测中微子在物质中传播时如何振荡。这些项目不是使用太阳中微子，而是在粒子加速器中产生强大的中微子束，并微调它们的路径以进行精确测量。费米实验室的实验将从其芝加哥附近的基础实验室到南达科他州的桑福德地下研究设施产生中微子流。当这些中微子在穿越大约 1285 公里的地幔（所谓的“长基线”）的旅程中飞行时，许多中微子会发生振荡。通过研究地幔物质如何与不同的味相互作用以影响它们的振荡速率，研究人员希望揭示哪些中微子味更轻，哪些更重。
反过来，解决中微子质量之谜可能会指向比当前标准模型更深入的粒子物理学理论，当前标准模型没有解释中微子质量。Borexino 最新的精确中微子测量壮举表明，实验最终变得足够强大，可以从这些难以捉摸的粒子中撬出这些秘密。
*更正（2014 年 9 月 2 日）：这句话在发布后经过编辑。它最初声明物质效应到目前为止仅在太阳中被观察到。事实上，地球物质效应在今年早些时候被超级神冈探测器实验观察到。