來自包括馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校粒子物理學(xué)家安德里亞·波卡爾（Andrea Pocar）在內(nèi)大約100名科學(xué)家組成的國際研究團隊合作Borexino項目，在《自然》(Nature)期刊上發(fā)表了對來自太陽中微子的探測研究成果，

首次直接揭示了碳-氮-氧（CNO）聚變循環(huán)在太陽和恒星中起作用。碳-氮-氧（CNO）聚變循環(huán)是驅(qū)動比太陽重的恒星的主要能量來源，但到目前為止還沒有在任何恒星中直接檢測到它。

在恒星生命的大部分時間里，恒星都是通過將氫聚變?yōu)楹慝@取能量。在我們的太陽或更輕恒星中，這主要是通過“質(zhì)子-質(zhì)子”鏈發(fā)生。然而，許多恒星比太陽更重、更熱，它們的組成中含有比氦更重的元素，這就是所謂的金屬性。自20世紀(jì)30年代以來的預(yù)測是，在重恒星中，CNO周期將占主導(dǎo)地位。作為這些過程一部分而發(fā)射的中微子提供了一個光譜特征，使科學(xué)家能夠區(qū)分那些來自質(zhì)子-質(zhì)子鏈的中微子和那些來自CNO循環(huán)的中微子。

研究確認(rèn)了CNO在太陽中燃燒的事實，它在太陽中的運行只有1%，這增強了我們理解恒星內(nèi)部原理的信心。除此之外，CNO中微子可以幫助解決恒星物理學(xué)中一個重要，但懸而未決的問題。也就是說，太陽的中心金屬豐度（只能由來自核心的CNO中微子速率確定）與恒星其他地方的金屬豐度有何關(guān)系。傳統(tǒng)模型遇到了一個困難（用光譜學(xué)方法測量表面金屬豐度與用另一種方法）日震學(xué)觀測得出的次表面金屬豐度測量結(jié)果不一致。

恒星核心金屬豐度

中微子是科學(xué)上對包括太陽在內(nèi)恒星核心的唯一直接探測器，但中微子非常難以測量。每秒有多達(dá)4200億顆微粒撞擊地球表面的每一平方英寸，但幾乎所有的微粒都是在沒有相互作用的情況下通過的，科學(xué)家只能使用背景輻射水平極低的大型探測器來探測它們。Borexino探測器位于意大利中部亞平寧山脈深處的INFN‘s Laboratory atori Nazionali del Gran Sasso。它探測到中微子與300噸重超純有機閃爍體中電子碰撞時產(chǎn)生的閃光。

它巨大的深度、大小和純度使Borexino成為這類科學(xué)研究中獨一無二的低本底輻射探測器。該項目是在20世紀(jì)90年代初由米蘭大學(xué)的詹保羅·貝里尼、普林斯頓的弗蘭克·卡拉普里斯和貝爾實驗室已故的拉朱·拉加萬領(lǐng)導(dǎo)的一群物理學(xué)家發(fā)起。在探測之前，Borexino的合作研究已經(jīng)成功地測量了質(zhì)子-質(zhì)子太陽中微子通量的組成部分，幫助改進了中微子振蕩參數(shù)，最令人印象深刻的是，甚至測量了周期的第一步：非常低能量的pp中微子。

研究人員夢想著擴大科學(xué)范圍，在背景特別低的狹窄光譜區(qū)域?qū)ふ褻NO中微子，但這一獎項似乎遙不可及。然而，普林斯頓大學(xué)、弗吉尼亞理工大學(xué)和馬薩諸塞州大學(xué)阿默斯特分校的研究小組認(rèn)為，通過他們開發(fā)的額外凈化步驟和方法，CNO中微子仍有可能被發(fā)現(xiàn)，以實現(xiàn)所需的精密探測器穩(wěn)定性。多年來，由于一系列確定和穩(wěn)定背景的舉措，整個合作都取得了成功。除了揭示CNO中微子外，現(xiàn)在甚至有可能幫助解決金屬豐度問題。

在發(fā)現(xiàn)CNO中微子之前，該實驗室曾計劃Borexino在2020年底結(jié)束運行。隨著中心純度的持續(xù)提高，科學(xué)家們繼續(xù)收集數(shù)據(jù)，這使得關(guān)注金屬豐度的新結(jié)果成為可能，數(shù)據(jù)收集可能會延長到2021年。波卡爾從普林斯頓的研究生時代起就在弗蘭克·卡拉普賴斯(Frank Calaprice)領(lǐng)導(dǎo)的團隊中參與這個項目，在那里他從事尼龍容器的設(shè)計、建造和流體處理系統(tǒng)的調(diào)試，現(xiàn)在還研究了描述CNO中微子測量背景的技術(shù)。

博科園｜研究/來自：馬薩諸塞州阿默斯特大學(xué)

參考期刊《自然》

DOI：10.1038/s41586-020-2934-0

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