普林斯顿大学 在这张照片中，x光从太阳射出，显示了美国宇航局的核光谱望远镜阵列(NuSTAR)的观察结果，覆盖在美国宇航局的太阳动力学天文台(SDO)拍摄的照片上。
信用:NASA 意大利地下深处的一台超灵敏仪器终于成功完成了从太阳核心探测CNO中微子(指向碳、氮和氧的微小粒子)的几乎不可能的任务
这些鲜为人知的粒子揭示了为我们的太阳和其他恒星提供动力的聚变循环的最后一个缺失的细节
在11月公布的结果中
26在《自然》杂志(封面上有特写)上，博雷希诺合作的研究人员首次发现了这种被称为“幽灵粒子”的罕见中微子，因为它们能穿过大多数物质而不留痕迹
中微子是由意大利中部的一个巨大的地下实验——博雷西诺探测器探测到的
该多国项目在美国得到了国家科学基金会的支持，由普林斯顿大学名誉物理学教授弗兰克·卡拉普莱斯负责监督；安德烈·波卡尔，普林斯顿大学2003届毕业生，麻省大学阿姆赫斯特分校物理学教授；弗吉尼亚理工学院和州立大学(弗吉尼亚理工大学)的物理学教授布鲁斯·沃格拉尔
“幽灵粒子”的探测证实了20世纪30年代的预测，即我们太阳的一些能量是由碳、氮和氧的连锁反应产生的(CNO)
这种反应产生的太阳能量不到1%，但它被认为是较大恒星的主要能量来源
这个过程释放出两个中微子——已知最轻的物质基本粒子——以及其他亚原子粒子和能量
更丰富的氢氦融合过程也释放出中微子，但是它们的光谱特征不同，这使得科学家能够区分它们
“CNO在我们的太阳中燃烧的确认，在那里它只在1%的水平上运行，加强了我们的信心，我们理解恒星是如何工作的，”卡拉普莱斯说，他是北极星的创始人之一，也是北极星的主要研究者
CNO中微子:通向太阳的窗口 在恒星生命的大部分时间里，它们通过将氢融合成氦来获取能量
在像太阳这样的恒星中，这主要是通过质子-质子链发生的
然而，在更重更热的恒星中，碳和氮催化氢燃烧并释放CNO中微子
发现任何中微子都有助于我们窥视太阳内部深处的工作；当博列西诺探测器发现质子-质子中微子时，这个消息照亮了科学界
但CNO中微子不仅证实了CNO过程在太阳内部起作用，它们还能帮助解决恒星物理学中一个重要的未决问题:太阳内部有多少是由“金属”组成的，天体物理学家将“金属”定义为任何比氢或氦重的元素，以及核心的“金属度”是否与太阳表面或外层的“金属度”相匹配
不幸的是，中微子极难测量
每秒钟有超过4000亿个这样的粒子撞击地球表面的每一平方英寸，然而几乎所有这些“幽灵粒子”都穿过了整个星球而没有与任何东西发生相互作用，这迫使科学家们利用非常大并且非常小心保护的仪器来探测它们
博雷希诺探测器位于意大利中部亚平宁山脉下半英里处，在意大利国家核物理研究所的LNGS国家实验室，一个巨大的尼龙气球——直径约30英尺——装满了300吨超纯液态碳氢化合物，被放置在一个浸在水中的多层球形容器中
穿过这颗行星的中微子中的一小部分将从这些碳氢化合物中的电子上反弹回来，产生闪光，水箱里的光子传感器可以检测到这些闪光
巨大的深度、尺寸和纯度使博瑞西诺成为这类科学的真正独特的探测器
博列西诺项目是由一群物理学家在20世纪90年代初发起的，他们由米兰大学的吉安保罗·贝利尼·卡拉普莱斯和已故的拉朱·拉哈文(当时在贝尔实验室)领导
在过去的30年里，世界各地的研究人员为发现中微子的质子-质子链做出了贡献，大约五年前，该团队开始寻找CNO中微子
抑制背景 卡拉普莱斯说:“过去30年一直在抑制放射性背景。”
博雷西诺探测到的大多数中微子都是质子-质子中微子，但也有少数是公认的CNO中微子
不幸的是，CNO中微子类似于钋-210放射性衰变产生的粒子，钋-210是一种从巨大的尼龙气球中泄漏的同位素
从2014年开始，从钋污染中分离太阳中微子需要由普林斯顿科学家领导的艰苦努力
由于无法防止辐射从气球中泄漏出来，科学家们找到了另一种解决方案:忽略来自被污染的球体外缘的信号，保护气球内部深处
这要求他们大幅降低气球内流体的运动速度
大多数流体流动是由热差驱动的，所以美国
S
团队努力为储罐和碳氢化合物获得非常稳定的温度曲线，使流体尽可能保持静止
佛吉拉尔领导的弗吉尼亚理工大学小组安装了一系列温度探测器，精确地绘制了温度图
卡拉普莱斯说:“如果这个运动能够被充分减弱，我们就可以观察到预期的每天五次左右由CNO中微子引起的低能反冲。”
“作为参考，一立方英尺的‘新鲜空气’——其密度比碳氢化合物流体低一千倍——每天经历大约100，000次放射性衰变，主要来自氡气
" 为了确保流体中的静止，普林斯顿和弗吉尼亚理工大学的科学家和工程师在2014年和2015年开发了硬件来隔离探测器——本质上是一个包裹在探测器周围的巨大毯子——然后他们增加了三个加热电路，以保持完全稳定的温度
那些人成功地控制了探测器的温度，但是霍尔C的季节性温度变化仍然导致微小的流体流持续存在，模糊了CNO信号
因此，两位普林斯顿的工程师安东尼奥·迪·卢多维科和利迪奥·皮埃特罗法西亚与LNGS的工程师格拉齐亚诺Panella合作，创造了一种特殊的空气处理系统，使C大厅的气温保持稳定
2019年底开发的主动温度控制系统(ATCS)最终在气球内外产生了足够的热稳定性，使探测器内部的电流保持安静，最终防止污染同位素从气球壁进入探测器核心
努力得到了回报
卡拉普莱斯说:“这种放射性本底的消除创造了一个低本底区域，使得测量CNO中微子成为可能。”
“数据越来越好” 在CNO中微子发现之前，该实验室计划在2020年底结束博瑞西诺操作
现在，数据收集似乎可以延续到2021年
自2020年2月《自然》杂志论文收集数据以来，博列西诺探测器中心的静止碳氢化合物的体积一直在不断增大
这意味着，除了揭示作为本周《自然》文章主题的CNO中微子之外，现在还有可能帮助解决“金属性”问题——太阳的核心、外层和表面是否都含有相同浓度的比氦或氢重的元素的问题
卡拉普莱斯说:“随着中心纯度的不断提高，我们一直在收集数据，这使得一个聚焦于金属性的新结果成为可能。”
“我们不仅仍在收集数据，而且数据越来越好
"
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