大型地下“幽灵粒子”探测器发现了我们太阳聚变周期的最终秘密

Borexino探测器是意大利地下的一种超灵敏仪器，它终于成功地完成了从太阳核中探测CNO中微子这一几乎不可能完成的任务。这些鲜为人知的粒子揭示了为太阳和其他恒星提供动力的聚变循环的最后遗漏的细节，并且可以回答关于太阳组成的尚悬而未决的问题。

一种超灵敏的仪器，位于意大利的地下深处，终于成功地完成了从太阳核中检测CNO中微子（指向碳，氮和氧的微小微粒）的几乎不可能完成的任务。这些鲜为人知的粒子揭示了为太阳和其他恒星提供动力的聚变循环的最后一个遗漏的细节。

在2020年11月26日发表在《自然》杂志上（并在封面上刊登）的结果中，与Borexino合作的研究人员报告了这种稀有类型的中微子的首次发现，这种中微子被称为“幽灵粒子”，因为它们通过大多数物质而不会离开痕迹。

中微子由Borexino探测器探测到，这是意大利中部的一项巨大地下实验。美国国家科学基金会在美国普林斯顿大学物理学名誉教授弗兰克·卡拉珀斯（Frank Calaprice）的共同资助下，为该跨国项目提供了资助。安德里亚·波卡尔（Andrea Pocar），2003年普林斯顿大学毕业生，麻省大学-阿默斯特分校物理学教授；弗吉尼亚理工学院和州立大学（弗吉尼亚理工学院）物理学教授布鲁斯·沃吉拉（Bruce Vogelaar）。

“鬼微粒”的检测证实了1930年代的预测，即我们的某些太阳能量是由一系列涉及碳，氮和氧（CNO）的反应产生的。这种反应产生的能量不到太阳的1％，但被认为是较大恒星的主要能源。这个过程释放出两个中微子-最轻的已知物质基本粒子-以及其他亚原子粒子和能量。氢与氦融合的过程更为丰富，也会释放中微子，但它们的光谱特征不同，从而使科学家能够区分它们。

“确认CNO在我们的太阳下燃烧，它仅在1％的水平下运转，这增强了我们对我们了解恒星如何工作的信心，”卡拉佩斯说，他是Borexino的发起者和主要研究者之一。

CNO中微子：窗户进入阳光

在生命的大部分时间里，恒星通过将氢融合到氦中来获取能量。在像我们的太阳这样的恒星中，这主要是通过质子-质子链发生的。但是，在更重和更热的恒星中，碳和氮催化氢燃烧并释放出CNO中微子。找到任何中微子可以帮助我们窥探太阳内部深处的运作；当Borexino探测器发现质子-质子中微子时，这一消息照亮了科学界。

但是CNO中微子不仅证实CNO过程在太阳内部起作用，而且还可以帮助解决恒星物理学中一个重要的开放性问题：太阳内部有多少是由“金属”组成的，天体物理学家将其定义为任何元素重于氢或氦，以及核的“金属性”与太阳表面或外层的“金属性”是否匹配。

不幸的是，中微子很难测量。每秒有超过4,000亿个此类粒子撞击地球表面的每平方英寸，但实际上所有这些“幽灵粒子”都通过了整个行星，而没有任何相互作用，这迫使科学家们使用非常大且非常小心保护的仪器来检测它们。

Borexino探测器位于意大利中核国家实验室的Nazionali del Gran Sasso实验室（LNGS）的意大利中部亚平宁山脉下半英里处，那里有一个宽约30英尺的巨型尼龙气球，里面装满300吨超将纯净的液态烃保存在浸入水中的多层球形腔中。穿过行星的中微子中的一小部分会反弹这些碳氢化合物中的电子，产生闪光，这些闪光可以被水箱内衬的光子传感器检测到。巨大的深度，尺寸和纯度使Borexino成为此类科学的真正独特的检测器。

Borexino项目由Calaprice，米兰大学的Gianpaolo Bellini和已故的Raju Raghavan（后来在Bell Labs）领导的一组物理学家于1990年代初发起。在过去的30年中，世界各地的研究人员为发现中微子的质子-质子链做出了贡献。大约五年前，该团队开始寻找CNO中微子。

抑制背景

卡拉普莱斯说：“过去30年来一直在抑制放射性本底。”

Borexino检测到的大多数中微子是质子-质子中微子，但少数是公认的CNO中微子。不幸的是，CNO中微子类似于by 210放射性衰变产生的颗粒，lon 210是从巨大的尼龙气球中泄漏出来的同位素。在普林斯顿大学科学家的带领下，从2014年开始，将太阳的中微子与contamination污染分离开来需要艰苦的努力。由于无法防止辐射从气球中泄漏出来，因此科学家们找到了另一种解决方案：忽略来自受污染球体外缘的信号，并保护气球的深层内部。这就要求他们大大减慢气球内流体的运动速度。大多数流体流是由热量差异驱动的，因此美国团队致力于为储罐和碳氢化合物获得非常稳定的温度曲线，以使流体尽可能保持静止。温度由Vogelaar领导的Virginia Tech集团安装的一系列温度探头精确绘制。

卡拉珀斯说：“如果可以将这种运动降低得足够多，那么我们就可以观察到由于CNO中微子而导致的每天预期的约5个低能量后坐力，”“作为参考，'立方英尺'的'新鲜空气'-比烃类流体的密度低一千倍-每天经历约100,000次放射性衰变，主要来自ra气。”

为了确保流体中的静止，普林斯顿大学和弗吉尼亚理工大学的科学家和工程师在2014年和2015年开发了用于对检测器进行绝缘的设备（实际上是包裹它的巨大毯子），然后添加了三个加热回路，以保持温度完全稳定。那些成功地控制了检测器的温度，但是Borexino所在的C大厅的季节性温度变化仍然导致微小的流体流持续存在，从而掩盖了CNO信号。

因此，普林斯顿大学的两名工程师Antonio Di Ludovico和Lidio Pietrofaccia与LNGS人员工程师Graziano Panella一起创建了一种特殊的空气处理系统，该系统可在C厅保持稳定的空气温度。 2019年，最终在球囊内外产生了足够的热稳定性，以使探测器内部的电流安静下来，最终使污染的同位素不再从球囊壁携带到探测器的核中。

努力得到了回报。

卡拉普莱斯说：“消除这种放射性本底后，形成了Borexino较低的本底区域，这使CNO中微子的测量成为可能。”

“数据越来越好”

在发现CNO中微子之前，实验室计划在2020年底终止Borexino的运营。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》论文的数据以来，位于Borexino检测器中心的静止碳氢化合物的体积持续增长。这意味着，除了揭示本周《自然》杂志的主题的CNO中微子之外，现在还有潜力帮助解决“金属性”问题，即太阳的核心，外层和表面是否都存在的问题具有比氦或氢重的相同浓度的元素。

Calaprice表示：“随着中心纯度的不断提高，我们一直在收集数据，从而使针对金属性的新结果成为现实。”“我们不仅还在收集数据，而且数据越来越好。”

有关此研究的更多信息：

中微子产生宇宙的CNO能量产生机理的第一个实验证据，了解我们太阳的“氢燃烧”能力

参考：Borexino协作组织于2020年11月25日在Nature.DOI上发表的“太阳在CNO聚变循环中产生中微子的实验证据”。
10.1038 / s41586-020-2934-0

Borexino团队的其他普林斯顿人包括化学和生物工程名誉教授Jay Benziger，他设计了超纯检测器流体。克里斯蒂亚诺·加尔比亚蒂（Cristiano Galbiati），物理学教授；保罗·拉马什（Paul LaMarche）现在是太空计划和规划的副教务长，曾是Borexino的原始项目经理。丁学峰，物理学博士后。以及物理项目经理Andrea Ianni。

像Borexino集体中的许多科学家和工程师一样，Vogelaar和Pocar在普林斯顿的Calaprice实验室中就开始了这个项目。Vogelaar曾在普林斯顿大学担任研究员和助理教授，然后在弗吉尼亚理工大学从事校准，检测器监控以及流体动力学建模和热稳定性方面的工作，当时他在尼龙气球上工作。Pocar在普林斯顿从事尼龙气球的设计和建造以及流体处理系统的调试工作。后来，他与UMass-Amherst的学生一起研究数据分析和技术，以表征CNO和其他太阳中微子测量的背景。

美国的这项工作得到了美国国家科学基金会，普林斯顿大学，马萨诸塞州大学和弗吉尼亚理工大学的支持。Borexino是一项国际合作，也是由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资助的。