首次直接检测太阳核心产生的微中子,将帮助洞悉太阳核心结构

最近,科学家首次直接测量到太阳碳氮氧循环(核融合反应之一)产生的微中子,完成微中子物理学一个里程碑,这些测量可能有助于解决太阳核心组成的不确定性,并为质量更重的恒星形成提供另一番见解。

在恒星漫漫生命中,主要是通过将氢转换成氦来获取能量,而质子-质子链反应、碳氮氧循环(carbon-nitrogen-oxygen cycle,CNO cycle)就是恒星将氢转换成氦的2种过程,如果是太阳或比太阳更小的恒星,仅涉及氢、氦的质子-质子链反应是产生能量的主要过程(99%)。

碳氮氧循环又称贝斯-魏茨泽克-循环(Bethe-Weizsäcker-cycle),则涉及碳、氮和氧等其他元素,自1930年代以来,理论便预测这是更重恒星的主要动力来源,太阳的话,据估计只有1.7%的氦-4是经由碳氮氧循环过程产生。由于这两种反应都会产生神秘难捉摸的微中子,科学家可通过不同的微中子光谱特征来区别出两者,但马萨诸塞大学阿默斯特分校(UMass Amherst)粒子物理学家Andrea Pocar表示,迄今为止,从未在任何恒星中直接发现碳氮氧循环。

微中子又是科学界目前唯一能直接探测太阳核心的方法,但它们很难测量,尽管每秒每平方英寸有多达4,200亿个微中子撞击地球表面,但几乎所有撞击都不与普通物质相互作用,科学家只能使用背景辐射值极低的超大型探测器来捕捉蛛丝马迹,意大利国家核物理研究所(INFN)的Borexino探测器就是其中一个工具。

2018年时,Borexino探测器对太阳质子-质子链反应产生的微中子进行过全面测量,帮助完善了微中子各种味之间振荡的参数;而现在,一个包含100多名科学家的团队首度发现了来自太阳核心碳氮氧循环产生的微中子,为解决太阳核心元素组成之谜带来大大曙光。科学家将有机会测量恒星核心中氧、碳和氮等元素的丰度,也支持了之前太阳约1%能量来自碳氮氧循环的数据(太阳有1.7%的4氦核是经由碳氮氧循环过程产生)。

虽然这还无法解决太阳金属度的问题,但至少也提供了一条参考途径。原本意大利国家核物理研究所已准备让Borexino探测器在今年底停止运行,现在,Borexino探测器会再继续工作至明年,好让科学家收集更多数据。

新论文发布在《自然》(Nature)期刊。

(首图来源:马萨诸塞大学阿默斯特分校)