在恒星的一生中，其大部分时间都是通过将氢聚变为氦来获取能量的。这种聚变反应可通过两个过程进行，一种是所谓的质子-质子链，另一种是碳氮氧（CNO）循环。在太阳大小的恒星中，质子-质子链主导着能量的产生，而CNO循环大约只占了1%。根据标准太阳模型（SSM）的预测，对于那些比太阳更重、更热的恒星来说，主要的供能反应是由CNO循环主导的。
从理论的角度来看，大家对于这两种过程都已经有了较好的理解。质子-质子链这一过程已经得到了实验的证实，但科学家一直没有在任何恒星中直接探测到过CNO循环这一过程。
直到最近，在一项刚发表在《自然》杂志上的论文中，研究人员报告了他们探测到了由CNO循环所产生的太阳中微子。这是中微子物理学的一个里程碑，它是首个直接证明了在太阳中存在CNO循环的证据。这些中微子测量有望帮助科学家进一步确认太阳核心的组成，并为大质量恒星的形成提供重要见解。
太阳的核聚变反应可以产生数量惊人的中微子：每一秒，都有大约千亿个太阳中微子穿过我们的拇指甲。无论是质子-质子链还是CNO循环，都会产生无数的中微子，科学家可以通过分析这些中微子的光谱特征，来区分出由质子-质子链产生的中微子和由CNO循环中所产生的中微子。
然而，在实验室中捕获来自太阳的中微子是一项极其艰难的任务，其主要原因在于这些微小的、电中性亚原子粒子几乎不与任何其他物质发生相互作用，它们也因此常被称为“幽灵粒子”。这样的特性使得在太阳中心产生的中微子能以接近光速的速度离开太阳内部，在8分钟左右的时间内就抵达地球，而不用像同样产生自太阳核心的光子那样，需要数万年的时间才能逃离太阳。
因此，中微子为科学家了解太阳的核心打开了一扇独特的窗口。可以说，观测由发生在太阳核心的核聚变所释放的中微子，是对太阳内部可以进行的唯一直接探测。
一直以来，科学家都希望能够测量到太阳中由CNO循环所产生的中微子通量，以此来确定碳、氮、氧这些元素在太阳核心的丰度，从而更好地了解恒星的温度和密度以及恒星的演化。然而，探测由太阳中的CNO循环所产生的中微子将中微子探测这一本就艰巨任务的难度又提升了一个级别。它面临许多挑战，因为CNO中微子有着很低的能量和通量，并且要将中微子信号从一些背景信号源（比如放射性衰变）中筛选出来十分困难。
新发表的研究是一个国际研究团队“Borexino合作组”完成的。Borexino探测器位于意大利中部的亚平宁山脉的地下深处，它的深度、尺寸和超低的背景辐射，都使之成为了进行这类科学研究的优秀探测器。
Borexino实验装置中含有300吨液体有机闪烁体，这些闪烁体是一些由水、矿物油和其他物质的构成的介质，当带电粒子穿过时会产生光。Borexino合作组的研究人员想要检测的就是当太阳中微子散射了闪烁体中的电子时所产生的光。对探测到的光的能量和时间进行精确测量，就能够将由太阳中微子引起的闪光和由其他光源（例如闪烁体本身以及实验器件中的放射性污染）产生的闪光区分开来。
Borexino探测器+太阳。| 图片来源：Borexino Collaboration/Maxim Gromov
对如此海量的数据进行精确的评估和分析同样不是一件易事，这就宛如大海捞针一样。Borexino实验已经进行了多年的“净化”工作，所以与之前和正在进行的所有太阳中微子实验相比，Borexino实验的闪烁体中的放射性污染物水平几近于零，是前所未有的低水平。
最终，他们以很高的统计显著性，顺利地完成了探测CNO中微子这一极具挑战性的任务。所得到的测量结果与理论预期所认为的太阳中的CNO循环会产生约1%的能量相一致。
在CNO循环中，氢的聚变是由碳、氮、氧催化的，所以CNO循环的速率，以及释放的CNO中微子通量，与恒星的金属度（在天体物理学中，任何比氦重的元素都被称为金属）直接相关。虽然此次新研究所产生的测量结果还没有精确到足以解决太阳金属度的问题，但它却为使用CNO中微子直接测量太阳的金属度铺平了道路。
未来，研究人员还将希望通过发展出创新的方法来识别和抑制放射性污染所造成的背景噪声，以此来提高Borexino实验结果的精度。这是首次通过实验实现的对CNO中微子的检测，它标志着中微子领域研究向前迈进了一大步，为宇宙中恒星从氢转化为氦的主要机制提供了实验证据。
参考来源：
https://www.umass.edu/newsoffice/article/neutrinos-yield-first-experimentalhttps://www.nature.com/articles/s41586-020-2934-0
发表于 2020-11-28 18:55
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