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“牵手”中微子,到太阳内核一探究竟

放大字体  缩小字体 时间:2021-01-12 17:26    热度:77
Borexino合作项目在《自然》上发文,报告了中微子物理学中一个里程碑式的重大突破。他们首次探测到了来自碳-氮-氧(CNO)核聚变。。。

Borexino合作项目在《自然》上发文,报告了中微子物理学中一个里程碑式的重大突破。他们首次探测到了来自碳-氮-氧(CNO)核聚变循环产生的中微子。测量这些中微子,将有助于人们更清晰地了解太阳内核的构成,同时也为理解大质量恒星的形成提供了关键的信息。

中微子是一种亚原子尺度的微小粒子。早在1930年,沃尔夫冈·泡利就通过解释β衰变过程(原子核发出高能电子的衰变过程)中的能量缺失现象推定了它的存在。这种没有质量的粒子可以携带任意比例的衰变能量,能解释电子发射能谱为何是连续的。泡利的解释认为它们与物质的相互作用极弱,这也是中微子为何从未被观测到的原因。在随后几十年的研究中,科学家们发现了众多关于泡利的“幽灵”粒子的信息,包括诺贝尔奖获奖成果发现中微子实际上是有质量的,尽管目前的测量技术还无法探测到如此微小的质量。

太阳中的聚变反应会产生数量惊人的中微子:每秒约有一千亿的太阳中微子穿过你的指甲。但由于它们的相互作用极弱,即使穿过整个地球也几乎不会受到阻碍:前沿的实验(另请参阅go.nature.com/36sktyj)一直难以观测到白天和夜间中微子通量的差异,主要就是由于这种互作太弱了。

中微子虽然难以观测,但我们依然能借助它们去认识宇宙中原本难以企及的地方,例如遥远的超新星或者是恒星的内部。太阳中心产生的能量以光子的形式需要数万年才能释放出来,但太阳释放的中微子只需要八分钟便能到达地球。这为人们认识这颗闪耀恒星的内部提供了独特的窗口。

太阳的能量来源于内核的聚变反应:在高温高压的环境中,质子发生聚变反应生成了氦原子。这一过程会发生在两个不同的核反应循环中。第一个被称为质子-质子链(pp链),是太阳这样大小的恒星产生能量的主要方式,第二个被称为CNO循环,太阳的能量大约有1%是通过这种方式产生的,但是它是更重的恒星产生能量的主要方式。

第一个太阳中微子探测实验在美国南达科塔州的霍姆斯特克矿场进行。它利用pp链产生的中微子来探索太阳标准模型(Standard Solar Model, SSM),这一模型描述了太阳的核聚变过程。实验中,研究人员惊讶地发现,只探测到了1/3理论预期类型(味,flavour)的中微子。

随后一系列长达数十年的实验逐渐展开,试图解决这一“太阳中微子”问题。来自加拿大安大略萨德伯里中微子观测站的诺贝尔奖获奖结果最终解释了这一现象:中微子在产生和探测过程中会发生味的转换。而后,来自意大利格兰萨索国家实验室的实验对来自pp链各个阶段的中微子进行了全方位(全谱段)的分析,使这一领域的研究得以完善,重新打开了利用太阳中微子探测太阳内部的可能性。

Borexino中微子探测器

Borexino实验会探测太阳中微子在大量液体闪烁体中散射电子所发出的光(带电粒子通过闪烁体时会产生光)。Borexino合作项目对探测器进行了隔热包裹以控制探测器的温度变化。这有助于实验团队对太阳次要聚变循环所产生的中微子进行高精度测量。

目前,Borexino合作项目报告了实验产生的另一项开创性的成就:首次探测到了来自CNO循环的中微子。这是一个巨大的飞跃,为揭示太阳内核的元素构成提供了重要的机会。在天体物理学中,任何比氦重的元素都被称为金属。恒星核心确切的金属含量(金属性)会影响CNO循环的速率,这同时也会反过来影响恒星的温度和密度,进而影响恒星的演化过程及其外层的不透明度。

太阳的金属性和不透明度影响其中声波的传播速度。几十年来,太阳地震学测量与SSM模型预测的太阳声速一致,使人们对模型更有信心。然而,最近针对太阳不透明度的光谱测量结果显著低于先前的预期,导致与太阳地震学测量数据不一致。精密测量CNO循环中微子,为研究这种差异提供了仅有的独立手段。这样的测量还将进一步解释恒星的演化。

进行这些测量的主要障碍在于CNO中微子的低能量和低通量,以及难以从像放射性衰变过程等背景信号源中分离出中微子信号。Borexino实验通过检测太阳中微子在大量液体闪烁体(液闪)中散射电子而产生的光来实现中微子探测(带电粒子在通过液闪介质时可以激发出光)。精确测量光的能量和时间分布,可将来自太阳中微子引起的闪烁与其他来源产生的光区分开来,例如液闪本身以及周围探测器组件中所含有的放射性污染。

Borexino合作项目进行了一项持续多年的净化行动,来确保闪烁体中的放射性污染降低到了前所未有的水平。但即使在这样的条件下,温度变化引起的微小对流也会使探测器外部边缘的放射性污染发生扩散。为此,研究人员在探测器内建立了精密的温度控制系统来减轻这一影响(如图1所示),使这一设备可以完成探测CNO中微子的巨大挑战。虽然最终的测量精度还不足以解决太阳金属性的问题,但是为实现这个目标铺平了道路。

研究人员将在接下来的实验中继续尝试提高Borexino探测精度的方法,开发出创造性的方法来识别并剔除放射性污染所带来的背景噪声。Borexino合作项目的巨大成就使我们对太阳和大质量恒星的形成有了更加完整的了解,并很有可能定义未来几年该领域的研究目标。

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