最新发现:首次揭示“碳氮氧”聚变循环,在太阳内部产生中微子!
来源:博科园
发布时间:2020-12-09
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来自包括马萨诸塞大学阿默斯特分校粒子物理学家安德里亚·波卡尔(Andrea Pocar)在内大约100名科学家组成的国际研究团队合作Borexino项目,在《自然》(Nature)期刊上发表了对来自太阳中微子的探测研究成果,首次直接揭示了碳-氮-氧(CNO)聚变循环在太阳和恒星中起作用。碳-氮-氧(CNO)聚变循环是驱动比太阳重的恒星的主要能量来源,但到目前为止还没有在任何恒星中直接检测到它。

在恒星生命的大部分时间里,恒星都是通过将氢聚变为氦来获取能量。在我们的太阳或更轻恒星中,这主要是通过“质子-质子”链发生。然而,许多恒星比太阳更重、更热,它们的组成中含有比氦更重的元素,这就是所谓的金属性。自20世纪30年代以来的预测是,在重恒星中,CNO周期将占主导地位。作为这些过程一部分而发射的中微子提供了一个光谱特征,使科学家能够区分那些来自质子-质子链的中微子和那些来自CNO循环的中微子。

研究确认了CNO在太阳中燃烧的事实,它在太阳中的运行只有1%,这增强了我们理解恒星内部原理的信心。除此之外,CNO中微子可以帮助解决恒星物理学中一个重要,但悬而未决的问题。也就是说,太阳的中心金属丰度(只能由来自核心的CNO中微子速率确定)与恒星其他地方的金属丰度有何关系。传统模型遇到了一个困难(用光谱学方法测量表面金属丰度与用另一种方法)日震学观测得出的次表面金属丰度测量结果不一致。

恒星核心金属丰度

中微子是科学上对包括太阳在内恒星核心的唯一直接探测器,但中微子非常难以测量。每秒有多达4200亿颗微粒撞击地球表面的每一平方英寸,但几乎所有的微粒都是在没有相互作用的情况下通过的,科学家只能使用背景辐射水平极低的大型探测器来探测它们。Borexino探测器位于意大利中部亚平宁山脉深处的INFN‘s Laboratory atori Nazionali del Gran Sasso。它探测到中微子与300吨重超纯有机闪烁体中电子碰撞时产生的闪光。

它巨大的深度、大小和纯度使Borexino成为这类科学研究中独一无二的低本底辐射探测器。该项目是在20世纪90年代初由米兰大学的詹保罗·贝里尼、普林斯顿的弗兰克·卡拉普里斯和贝尔实验室已故的拉朱·拉加万领导的一群物理学家发起。在探测之前,Borexino的合作研究已经成功地测量了质子-质子太阳中微子通量的组成部分,帮助改进了中微子振荡参数,最令人印象深刻的是,甚至测量了周期的第一步:非常低能量的pp中微子。

研究人员梦想着扩大科学范围,在背景特别低的狭窄光谱区域寻找CNO中微子,但这一奖项似乎遥不可及。然而,普林斯顿大学、弗吉尼亚理工大学和马萨诸塞州大学阿默斯特分校的研究小组认为,通过他们开发的额外净化步骤和方法,CNO中微子仍有可能被发现,以实现所需的精密探测器稳定性。多年来,由于一系列确定和稳定背景的举措,整个合作都取得了成功。除了揭示CNO中微子外,现在甚至有可能帮助解决金属丰度问题。

在发现CNO中微子之前,该实验室曾计划Borexino在2020年底结束运行。随着中心纯度的持续提高,科学家们继续收集数据,这使得关注金属丰度的新结果成为可能,数据收集可能会延长到2021年。波卡尔从普林斯顿的研究生时代起就在弗兰克·卡拉普赖斯(Frank Calaprice)领导的团队中参与这个项目,在那里他从事尼龙容器的设计、建造和流体处理系统的调试,现在还研究了描述CNO中微子测量背景的技术。

博科园|www.bokeyuan.net

博科园|研究/来自:马萨诸塞州阿默斯特大学

参考期刊《自然》

DOI:10.1038/s41586-020-2934-0


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