中微子里程碑式的重大突破 一探太陽內(nèi)核

Borexino合作項(xiàng)目在《自然》上發(fā)文，報(bào)告了中微子物理學(xué)中一個(gè)里程碑式的重大突破。他們首次探測到了來自碳-氮-氧（CNO）核聚變循環(huán)產(chǎn)生的中微子。測量這些中微子，將有助于人們更清晰地了解太陽內(nèi)核的構(gòu)成，同時(shí)也為理解大質(zhì)量恒星的形成提供了關(guān)鍵的信息。

中微子是一種亞原子尺度的微小粒子。早在1930年，沃爾夫?qū)づ堇屯ㄟ^解釋β衰變過程（原子核發(fā)出高能電子的衰變過程）中的能量缺失現(xiàn)象推定了它的存在。這種沒有質(zhì)量的粒子可以攜帶任意比例的衰變能量，能解釋電子發(fā)射能譜為何是連續(xù)的。泡利的解釋認(rèn)為它們與物質(zhì)的相互作用極弱，這也是中微子為何從未被觀測到的原因。在隨后幾十年的研究中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了眾多關(guān)于泡利的“幽靈”粒子的信息，包括諾貝爾獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)成果發(fā)現(xiàn)中微子實(shí)際上是有質(zhì)量的，盡管目前的測量技術(shù)還無法探測到如此微小的質(zhì)量。

太陽中的聚變反應(yīng)會產(chǎn)生數(shù)量驚人的中微子：每秒約有一千億的太陽中微子穿過你的指甲。但由于它們的相互作用極弱，即使穿過整個(gè)地球也幾乎不會受到阻礙：前沿的實(shí)驗(yàn)（另請參閱go.nature.com/36sktyj）一直難以觀測到白天和夜間中微子通量的差異，主要就是由于這種互作太弱了。

中微子雖然難以觀測，但我們依然能借助它們?nèi)フJ(rèn)識宇宙中原本難以企及的地方，例如遙遠(yuǎn)的超新星或者是恒星的內(nèi)部。太陽中心產(chǎn)生的能量以光子的形式需要數(shù)萬年才能釋放出來，但太陽釋放的中微子只需要八分鐘便能到達(dá)地球。這為人們認(rèn)識這顆閃耀恒星的內(nèi)部提供了獨(dú)特的窗口。

太陽的能量來源于內(nèi)核的聚變反應(yīng)：在高溫高壓的環(huán)境中，質(zhì)子發(fā)生聚變反應(yīng)生成了氦原子。這一過程會發(fā)生在兩個(gè)不同的核反應(yīng)循環(huán)中。第一個(gè)被稱為質(zhì)子-質(zhì)子鏈（pp鏈），是太陽這樣大小的恒星產(chǎn)生能量的主要方式，第二個(gè)被稱為CNO循環(huán)，太陽的能量大約有1%是通過這種方式產(chǎn)生的，但是它是更重的恒星產(chǎn)生能量的主要方式。

第一個(gè)太陽中微子探測實(shí)驗(yàn)在美國南達(dá)科塔州的霍姆斯特克礦場進(jìn)行。它利用pp鏈產(chǎn)生的中微子來探索太陽標(biāo)準(zhǔn)模型（Standard Solar Model， SSM），這一模型描述了太陽的核聚變過程。實(shí)驗(yàn)中，研究人員驚訝地發(fā)現(xiàn)，只探測到了1/3理論預(yù)期類型（味，flavour）的中微子。

隨后一系列長達(dá)數(shù)十年的實(shí)驗(yàn)逐漸展開，試圖解決這一“太陽中微子”問題。來自加拿大安大略薩德伯里中微子觀測站的諾貝爾獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)結(jié)果最終解釋了這一現(xiàn)象：中微子在產(chǎn)生和探測過程中會發(fā)生味的轉(zhuǎn)換。而后，來自意大利格蘭薩索國家實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)對來自pp鏈各個(gè)階段的中微子進(jìn)行了全方位（全譜段）的分析，使這一領(lǐng)域的研究得以完善，重新打開了利用太陽中微子探測太陽內(nèi)部的可能性。

Borexino中微子探測器

Borexino實(shí)驗(yàn)會探測太陽中微子在大量液體閃爍體中散射電子所發(fā)出的光（帶電粒子通過閃爍體時(shí)會產(chǎn)生光）。Borexino合作項(xiàng)目對探測器進(jìn)行了隔熱包裹以控制探測器的溫度變化。這有助于實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)對太陽次要聚變循環(huán)所產(chǎn)生的中微子進(jìn)行高精度測量。

目前，Borexino合作項(xiàng)目報(bào)告了實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的另一項(xiàng)開創(chuàng)性的成就：首次探測到了來自CNO循環(huán)的中微子。這是一個(gè)巨大的飛躍，為揭示太陽內(nèi)核的元素構(gòu)成提供了重要的機(jī)會。在天體物理學(xué)中，任何比氦重的元素都被稱為金屬。恒星核心確切的金屬含量（金屬性）會影響CNO循環(huán)的速率，這同時(shí)也會反過來影響恒星的溫度和密度，進(jìn)而影響恒星的演化過程及其外層的不透明度。

太陽的金屬性和不透明度影響其中聲波的傳播速度。幾十年來，太陽地震學(xué)測量與SSM模型預(yù)測的太陽聲速一致，使人們對模型更有信心。然而，最近針對太陽不透明度的光譜測量結(jié)果顯著低于先前的預(yù)期，導(dǎo)致與太陽地震學(xué)測量數(shù)據(jù)不一致。精密測量CNO循環(huán)中微子，為研究這種差異提供了僅有的獨(dú)立手段。這樣的測量還將進(jìn)一步解釋恒星的演化。

進(jìn)行這些測量的主要障礙在于CNO中微子的低能量和低通量，以及難以從像放射性衰變過程等背景信號源中分離出中微子信號。Borexino實(shí)驗(yàn)通過檢測太陽中微子在大量液體閃爍體（液閃）中散射電子而產(chǎn)生的光來實(shí)現(xiàn)中微子探測（帶電粒子在通過液閃介質(zhì)時(shí)可以激發(fā)出光）。精確測量光的能量和時(shí)間分布，可將來自太陽中微子引起的閃爍與其他來源產(chǎn)生的光區(qū)分開來，例如液閃本身以及周圍探測器組件中所含有的放射性污染。

Borexino合作項(xiàng)目進(jìn)行了一項(xiàng)持續(xù)多年的凈化行動，來確保閃爍體中的放射性污染降低到了前所未有的水平。但即使在這樣的條件下，溫度變化引起的微小對流也會使探測器外部邊緣的放射性污染發(fā)生擴(kuò)散。為此，研究人員在探測器內(nèi)建立了精密的溫度控制系統(tǒng)來減輕這一影響（如圖1所示），使這一設(shè)備可以完成探測CNO中微子的巨大挑戰(zhàn)。雖然最終的測量精度還不足以解決太陽金屬性的問題，但是為實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)鋪平了道路。

研究人員將在接下來的實(shí)驗(yàn)中繼續(xù)嘗試提高Borexino探測精度的方法，開發(fā)出創(chuàng)造性的方法來識別并剔除放射性污染所帶來的背景噪聲。Borexino合作項(xiàng)目的巨大成就使我們對太陽和大質(zhì)量恒星的形成有了更加完整的了解，并很有可能定義未來幾年該領(lǐng)域的研究目標(biāo)。

責(zé)任編輯：PSY