中微子里程碑式的重大突破 一探太陽內(nèi)核

Borexino合作項目在《自然》上發(fā)文，報告了中微子物理學中一個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，包括諾貝爾獎獲獎成果發(fā)現(xiàn)中微子實際上是有質(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，即使穿過整個地球也幾乎不會受到阻礙：前沿的實驗（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識宇宙中原本難以企及的地方，例如遙遠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地球。這為人們認識這顆閃耀恒星的內(nèi)部提供了獨特的窗口。

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)生在兩個不同的核反應(yīng)循環(huán)中。第一個被稱為質(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。

第一個太陽中微子探測實驗在美國南達科塔州的霍姆斯特克礦場進行。它利用pp鏈產(chǎn)生的中微子來探索太陽標準模型（Standard Solar Model， SSM），這一模型描述了太陽的核聚變過程。實驗中，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。

隨后一系列長達數(shù)十年的實驗逐漸展開，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獲獎結(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驗室的實驗對來自pp鏈各個階段的中微子進行了全方位（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實驗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會產(chǎn)生光）。Borexino合作項目對探測器進行了隔熱包裹以控制探測器的溫度變化。這有助于實驗團隊對太陽次要聚變循環(huán)所產(chǎn)生的中微子進行高精度測量。

目前，Borexino合作項目報告了實驗產(chǎn)生的另一項開創(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)成提供了重要的機會。在天體物理學中，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，這同時也會反過來影響恒星的溫度和密度，進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立手段。這樣的測量還將進一步解釋恒星的演化。

進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實驗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)生的光來實現(xiàn)中微子探測（帶電粒子在通過液閃介質(zhì)時可以激發(fā)出光）。精確測量光的能量和時間分布，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合作項目進行了一項持續(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，但是為實現(xiàn)這個目標鋪平了道路。

研究人員將在接下來的實驗中繼續(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。

責任編輯：PSY