作者:鲁亦 来源:中国科学报 发布时间:2020/7/13 19:11:14
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中微子研究揭示太阳核聚变缺失环节

 

 中微子是太阳核心的核聚变反应释放出来的。图片来源:Detlev Van Ravenswaay

通过捕捉太阳发出的中微子,物理学家填补了此前缺失的核聚变如何为恒星提供能量的最终细节。

这次探测证实了几十年前提出的理论预测,即太阳的部分能量是由碳和氮核的一系列反应产生的。这个过程将4个质子熔合形成一个氦原子核,然后释放出两个中微子(物质中最轻的基本粒子),以及其他亚原子粒子和大量能量。

据《自然》报道,虽然这种碳氮反应并不是太阳唯一的聚变途径——产生的能量不到太阳能量的1%,但它被认为是较大质量恒星的主要能量来源。该成果标志着科学家从这个过程中第一次直接探测到中微子。

美国俄亥俄州立大学天体物理学家Marc Pinsonneault认为,该研究出色证实了关于恒星结构理论的一个基本预测。

近日,研究人员在虚拟中微子2020会议上报告了这一未经同行评审的发现。

该研究借助了位于意大利中部的Borexino地下实验设施。该设备是第一个从质子—质子链反应3个不同步骤中直接探测到中微子的设备。质子—质子链反应占太阳聚变的大部分。“有了这个结果,Borexino已经完全阐明了为太阳提供能量的两个过程。”该研究发言人、米兰大学物理学家Gioacchino Ranucci说。

这些发现是Borexino最后一个里程碑,该设备仍在采集数据,但可能在一年内关闭。该实验的另一位联合发言人、热那亚大学物理学家 Marco Pallavicini说:“我们以一个爆炸性结果结束。”

Borexino太阳中微子实验设施位于拉奎拉附近的大萨索国家实验室,自2007年以来一直在1千多米的地下运行。探测器由一个巨大的尼龙气球组成,气球装满了278吨液体碳氢化合物,并浸没在水中。绝大多数来自太阳的中微子直接穿过地球,但有一小部分被碳氢化合物中的电子反射,产生闪光,这些闪光被排列在水箱中的光子传感器捕捉到。

来自太阳碳氮反应链的中微子相对较少,因为它只负责太阳聚变的一小部分。此外,碳氮反应的中微子很容易与铋-210放射性衰变产生的中微子混淆。铋-210是一种同位素,能从气球的尼龙中泄漏到碳氢化合物混合物中。

尽管污染物的浓度极低——在Borexino内部每天最多衰变几十个铋原子核,但从铋噪音中分离太阳信号仍需要艰苦努力。由于无法阻止铋-210从气球中泄漏出来,所以研究人员的目标是减慢元素渗透到液体中心的速度,同时忽略外部边缘的信号。

为了做到这一点,研究小组必须控制整个容器的温度差,因为这种不平衡会产生对流,加速容器内物质的混合。“液体必须非常静止,每月最多移动零点几厘米。”Pallavicini说。

为了使碳氢化合物保持恒定、均匀的温度,研究人员将整个容器包裹在隔热层中,并安装热交换器自动平衡容器温度。然后,他们开始等待。直到2019年,铋的噪音变得足够安静,中微子信号才凸显出来。到2020年初,研究人员已经收集了足够的粒子,可以明确公布他们探测到了来自碳氮反应核聚变链的中微子。

西班牙巴塞罗那空间科学研究所天体物理学家Aldo Serenelli说:“这是第一个真正直接的证据,证明氢通过碳氮反应在恒星中燃烧。这真的很神奇。”

对碳氮反应中微子的探测不仅证实了有关太阳能量来源的理论预测,还可以揭示其核心结构——特别是被天体物理学家称为金属的元素(比氢和氦重)的浓度。

Borexino观测到的中微子数量似乎与标准模型一致,该模型认为太阳核心的“金属丰度”与其表面相似。这些研究表明,太阳核心的金属丰度较低,且其温度比之前估计的略低。中微子的产生对温度极其敏感,从总体上看,Borexino观测到的不同数量的中微子似乎与旧的金属丰度值一致——而不是新的。

作为一种可能的解释,天体物理学家提出,太阳核心的金属丰度高于外层。它的组成可以揭示更多关于太阳早期阶段的信息,例如行星的形成带走了一些积聚在年轻恒星上的金属。

 
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