首次檢測到太陽碳氮氧循環(huán)產(chǎn)生中微子

英國《自然》雜志近日發(fā)表的一項(xiàng)天體物理學(xué)最新研究，科學(xué)家報告了太陽次要聚變碳氮氧循環(huán)所產(chǎn)生中微子的首個直接實(shí)驗(yàn)證據(jù)。測量這些中微子可以為人類了解太陽結(jié)構(gòu)和太陽核心內(nèi)的元素豐度提供重要線索。

恒星的能量來自氫到氦的核聚變，這通過兩個過程發(fā)生：質(zhì)子-質(zhì)子鏈反應(yīng)和碳氮氧循環(huán)，前者只涉及氫氦同位素，后者靠碳氮氧催化聚變。

其中，質(zhì)子-質(zhì)子鏈反應(yīng)是與太陽大小類似的恒星的主要能量產(chǎn)生方式，約占全部生產(chǎn)能量的99%，這一點(diǎn)已得到廣泛研究。但研究碳氮氧循環(huán)更具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)橥ㄟ^這種機(jī)制產(chǎn)生的中微子，每天只比背景信號多幾個而已。

意大利國家核物理研究所格蘭薩索國家實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，博瑞西諾合作組織正致力于研究極其罕見的中微子相互作用，這一聯(lián)合研究項(xiàng)目組由來自意大利、法國、德國、波蘭、俄羅斯、美國等多國研究人員構(gòu)成。

此次，他們報告檢測到了太陽碳氮氧聚變循環(huán)期間發(fā)射出的中微子，且具有高統(tǒng)計(jì)顯著性。他們使用的是意大利格蘭薩索國家實(shí)驗(yàn)室高靈敏度的博瑞西諾檢測器。該儀器由一個大約18米高的容器組成，其中裝有254噸液體，當(dāng)液體中的電子與中微子相互作用時，液體會閃爍發(fā)光，更為明亮的閃光表明能量更高，則更有可能是來自碳氮氧循環(huán)產(chǎn)生的中微子。這一檢測器能夠排除或解釋大部分的背景噪音源。在最新的研究中，團(tuán)隊(duì)表示，出現(xiàn)的結(jié)果代表了迄今第一個關(guān)于碳氮氧循環(huán)的直接實(shí)驗(yàn)證據(jù)，證明碳氮氧循環(huán)貢獻(xiàn)了1%左右的太陽能量（符合理論預(yù)測）。

研究人員提出，測量碳氮氧聚變產(chǎn)生的中微子，可以確定恒星中碳氮氧的豐度。據(jù)悉，碳氮氧循環(huán)對質(zhì)量大于太陽的恒星的能量生產(chǎn)具有更大的貢獻(xiàn)。了解恒星中重量大于氦的元素的豐度（即金屬性），有助于我們了解不同恒星的主導(dǎo)能量來源。

在論文隨附的“新聞與觀點(diǎn)”文章中，美國加州大學(xué)伯克利分校科學(xué)家哥布里爾·奧萊比·格恩表示，博瑞西諾合作組織的工作讓人們能夠更進(jìn)一步地全面認(rèn)識太陽和大質(zhì)量恒星的形成，其或?qū)榭茖W(xué)界定義未來幾年這個領(lǐng)域的研究目標(biāo)。

其實(shí)有兩種類型的核聚變反應(yīng)發(fā)生在太陽核心。第一種最常見，質(zhì)子-質(zhì)子鏈反應(yīng)，即質(zhì)子融合轉(zhuǎn)化氫變成氦;第二種就是碳氮氧循環(huán)。這兩種類型會產(chǎn)生不同的中微子，這些幾乎沒有質(zhì)量的亞原子粒子，在大部分時間里都可以沒有任何跡象地穿過普通物質(zhì)，難以被我們發(fā)現(xiàn)，尤其第二種類型，更是難上加難。不過，在博瑞西諾儀器內(nèi)部，有很多靈敏探測器排列在一個大水箱里，它們與地球表面宇宙射線的背景輻射隔離開來，不讓其他信號“淹沒”來自碳氮氧循環(huán)的中微子，終于幫助科學(xué)家探測到這一循環(huán)產(chǎn)生的稀有信號。