巨大的地下仪器发现了太阳核聚变的最终秘密

在意大利的地下深处，一台超灵敏的仪器终于成功地完成了一项几乎不可能完成的任务——从我们的太阳核心探测到CNO中微子(指向碳、氮和氧存在的微小粒子)。这些鲜为人知的粒子揭示了为太阳和其他恒星提供能量的聚变周期的最后一个缺失细节。

在11月26日发表在《自然》(Nature)杂志(封面上有特写)上的研究结果中，Borexino合作组织的研究人员报告了首次探测到这种罕见的中微子。这种中微子被称为“幽灵粒子”，因为它们能穿过大多数物质而不留痕迹。

中微子是由位于意大利中部的一个大型地下实验装置Borexino探测器探测到的。这个跨国项目在美国得到了美国国家科学基金会(National Science Foundation)的支持，由普林斯顿大学(Princeton)名誉物理学教授弗兰克•卡拉普利斯(Frank Calaprice)共同监督。安德里亚·波卡，2003年毕业于普林斯顿大学，现为马萨诸塞大学阿姆赫斯特分校物理学教授;以及弗吉尼亚理工学院和州立大学的物理学教授布鲁斯·沃格尔。

“幽灵粒子”的检测证实了20世纪30年代的预测，即太阳的部分能量是由碳、氮和氧(CNO)的一系列反应产生的。这种反应产生的能量不到太阳能量的1%，但它被认为是较大恒星的主要能量来源。这个过程释放出两种中微子——已知物质的最轻基本粒子——以及其他亚原子粒子和能量。更为丰富的氢氦聚变过程也释放出中微子，但它们的光谱特征不同，这使科学家能够区分它们。

“CNO在我们的太阳中仅以1%的水平燃烧，这一证实增强了我们了解恒星如何工作的信心，”Borexino的发起者和主要调查者之一Calaprice说。

CNO中微子:太阳的窗口

在恒星生命的大部分时间里，它们通过将氢聚变为氦来获得能量。在像太阳这样的恒星中，这主要是通过质子-质子链发生的。然而，在更重、更热的恒星中，碳和氮催化氢的燃烧并释放CNO中微子。找到中微子可以帮助我们深入观察太阳内部的运行情况;当Borexino探测器发现质子-质子中微子时，这个消息在科学界引起了轰动。

但是CNO中微子不仅确认碳氮氧过程是在太阳在工作,他们也可以帮助解决恒星物理学中的一个重要问题:多少太阳的内部是由“金属”,天体物理学家定义为任何元素比氢或氦重,和核心的“金属丰度”是否匹配太阳的表面或外层。

不幸的是，中微子极其难以测量。每秒钟就有超过4000亿个“幽灵粒子”撞击地球表面的每一平方英寸，但实际上所有这些“幽灵粒子”都在没有任何交互作用的情况下穿过整个星球，迫使科学家们使用非常巨大且非常小心保护的仪器来探测它们。

Borexino探测器是半英里在意大利中部亚平宁山脉之下,在Laboratori Nazionali del格兰萨索(LNGS)的意大利国家核物理研究所,一个巨大的气球尼龙-约30英尺满300吨超纯液态碳氢化合物在多层球形腔室举行浸在水里。穿过地球的中微子中，有一小部分会被这些碳氢化合物中的电子反射，产生闪光，这些闪光可以被排列在水箱里的光子传感器探测到。巨大的深度、尺寸和纯度使Borexino成为这类科学中真正独特的探测器。

Borexino项目是在20世纪90年代早期由卡拉普瑞斯、米兰大学的詹保罗·贝里尼和已故的拉朱·拉加万(当时在贝尔实验室)领导的一组物理学家发起的。在过去的30年里，世界各地的研究人员都致力于寻找质子-质子链的中微子，大约在5年前，这个团队开始了对CNO中微子的搜寻。

抑制背景

卡拉普利斯说:“过去的30年一直致力于抑制放射性背景。”

Borexino探测到的大多数中微子是质子-质子中微子，但也有一些是可以识别的CNO中微子。不幸的是，CNO中微子类似于钋-210放射性衰变产生的粒子，钋-210是一个从巨大的尼龙气球中泄漏出来的同位素。从2014年开始，由普林斯顿大学科学家领导的分离太阳中微子和钋污染的艰苦努力就开始了。由于无法阻止辐射从气球中泄漏出来，科学家们找到了另一种解决方案:忽略来自受污染球体外边缘的信号，而保护气球的内部深处。这就要求他们大幅度降低气球内流体的流速。大多数流体的流动是由热差驱动的，因此美国团队努力为储罐和碳氢化合物实现一个非常稳定的温度剖面，以使流体尽可能静止。由Vogelaar领导的弗吉尼亚理工大学安装的一系列温度探测器精确地描绘了温度。

卡拉普瑞斯说:“如果这种运动能被足够的减少，我们就能观察到预计每天大约5次由CNO中微子引起的低能反撞。”“作为参考，一立方英尺的‘新鲜空气’——它的密度是碳氢化合物流体的1000倍——每天要经历大约10万次放射性衰变，主要来自氡气。”

2014年和2015年，普林斯顿大学和弗吉尼亚理工大学的科学家和工程师们开发了硬件来隔离探测器——本质上是一个巨大的毯子包裹着它，然后他们添加了三个加热电路来保持完全稳定的温度。这些成功地控制了探测器的温度，但是Borexino所在的C霍尔的季节性温度变化仍然会导致微小的流体流持续存在，模糊了CNO信号。

所以两位普林斯顿工程师,安东尼奥•迪鲁多维科和Lidio Pietrofaccia,曾与LNGS主管工程师Graziano Panella创建一个特殊的空气处理系统,维持一个稳定的空气温度在大厅c活性温度控制系统(atc), 2019年底开发,最后产生足够的热稳定性内外气球安静的探测器内部的电流,最后防止污染的同位素从气球壁上进入探测器的核心。

努力得到了回报。

“放射性本底的消除创造了波利西诺的低本底区域，使测量CNO中微子成为可能，”卡拉普瑞斯说。

“数据越来越好”

在发现CNO中微子之前，该实验室计划在2020年底结束Borexino操作。现在看来，数据收集可能会延续到2021年。

自2020年2月收集《自然》杂志论文的数据以来，位于Borexino探测器中心的仍有碳氢化合物的体积持续增长。这意味着,除了揭示了碳氮氧中微子,本周的《自然》杂志文章的主题,现在有一个可能帮助解决“金属丰度”问题——问题的核心,太阳的外层和表面都有相同的浓度比氦重的元素或氢。

卡拉普瑞斯说:“我们一直在收集数据，随着中心纯度的不断提高，有可能会有新的金属丰度的结果。”“我们不仅还在收集数据，而且数据会越来越好。”

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伯尔西诺团队的其他普林斯顿人包括化学与生物工程名誉教授杰伊·本泽格，他设计了这种超纯化的检测液;物理学教授克里斯蒂亚诺·加尔比亚提;保罗·拉马奇(Paul LaMarche)，现任负责太空规划和规划的副教务长，也是博勒西诺最初的项目经理;物理学博士后丁雪峰;安德里亚·伊安尼，物理学项目经理。

和Borexino团队中的许多科学家和工程师一样，Vogelaar和Pocar是在普林斯顿的Calaprice实验室开始这个项目的。Vogelaar从事尼龙气球,然后在普林斯顿大学助理教授,研究员和校准,探测器监视和弗吉尼亚理工大学流体动力学建模和热稳定。Pocar工作设计和施工的尼龙气球和普林斯顿大学流体处理系统的调试。后来，他和他在UMass-Amherst的学生一起研究数据分析和技术，以确定CNO和其他太阳中微子测量的背景。

“太阳中CNO聚变周期产生中微子的实验证据”，由Borexino合作完成，发表在11月25日的《自然》(DOI: 10.1038/s41586-020-2934-0)。这项工作在美国得到了国家科学基金会、普林斯顿大学、马萨诸塞大学和弗吉尼亚理工大学的支持。Borexino是一个国际合作项目，也得到了意大利国家核物理研究所(INFN)以及德国、俄罗斯和波兰的资助机构的资助。