中微子实验完美收官!科学家破解太阳核聚变的所有方式

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  • 来源:安图在线

泉源:ESA/NASA

通过捕捉恒星焦点发出的中微子,物理学家终于相识到核聚变为太阳提供能量的最后一个缺失环节

这次探测证实了科学家们几十年来的理论预测——即太阳的部门能量是由碳和氮核的一系列反映发生的。这个历程将4个质子聚合成一个氦原子核,释放出2其中微子(已知物质中最轻的基本粒子),以及其他亚原子粒子和大量的能量。这种碳氮(CN)反映并不是太阳唯一的聚变方式,它发生的能量还不到太阳能量的1%,但科学家们认为它是较大恒星的主要能量泉源方式。

俄亥俄州立大学哥伦布分校的天体物理学家Marc Pinsonneault说:“能够证实恒星结构理论的一个基本预测真是充满了智慧的漂亮。”

6月23日,在虚拟中微子2020集会上,意大利中部的Borexino地下实验陈诉了这一尚未经由同行评审的发现。

该实验此前曾经首次直接探测到中微子,这些中微子来自一个单独反映的三个差别步骤,而这个反映占了太阳核聚变的大部门。意大利米兰大学的物理学家Gioacchino Ranucci是Borexino的团结讲话人,他展示了这个研究效果,并表现:“有了这个效果,Borexino已经完全阐明晰为太阳提供能量的两个历程。”

这些发现是Borexino的最后一个里程碑,该实验仍在收罗数据,但现在可能已经注定会在一年内关闭。该实验的另一位团结讲话人、意大利热那亚大学的马可•帕拉维西尼(Marco Pallavicini)说:“我们以一个惊人的发现竣事了实验。”

球探测器

Borexino太阳中微子实验位于Gran Sasso国家实验室的地下,深度凌驾1公里,从2007年开始,Borexino太阳中微子实验就已经开始在这里运行。探测器由一个庞大的尼龙气球组成,气球内里装满了278吨的液态碳氢化合物,而且浸没在水中。绝大多数来自太阳的中微子会以直线的方式穿过地球,但有一小部门中微子遇到碳氢化合物的时候会跟氢发生反映,生成一个正电子和一其中子,并发生闪光,水箱中排列有许多光子传感器来捕捉这些闪光。

来自太阳碳氮反映链的中微子相对较少,因为它只占太阳聚变的一小部门。此外,CN中微子也很容易与铋-210放射性衰变发生的中微子混淆。铋-210是一种同位素,这种同位素会从气球的尼龙泄漏到碳氢化合物混淆物中。

虽然这种污染的浓度极低(在Borexino内天天最多衰变几十个铋原子核),但从铋噪音中分散出太阳信号需要从2014年就开始艰辛努力。我们无法阻止铋-210从气球中泄漏出来,所以我们的目的是减慢元素渗透到液体中的速度,同时忽略外部边缘的任何信号。为了做到这一点,研究小组必须控制整个容器泛起的所有温度不平衡,因为这种不平衡会发生对流,加速容器内物质的混淆。“液体必须很是要静止,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、匀称的温度,研究人员将整个水箱包裹在隔热毯中,并安装热交流器来自动平衡整个燃料箱的温度。然后,他们就开始了漫长的等候。直到2019年,铋的噪音变得足够平静之后,中微子信号才凸显了出来。到2020年头,研究人员终于收集到足够的粒子,能够宣称实验发现了从CN核聚变链中探测到的中微子。

西班牙巴塞罗那空间科学研究所的天体物理学家阿尔多·塞雷利(Aldo Serenelli)说:“这是首个证明氢通过碳氮反映在恒星中燃烧的真正直接证据。所以这真的很神奇。”

太阳外貌的推测

对CN中微子的探测不仅证实了有关太阳能量泉源的理论预测,还可以阐明太阳焦点的结构——特别是被天体物理学家称为金属元素(任何比氢和氦重的元素)的浓度。

Borexino实验观察到的中微子数量似乎与尺度模型的一致,在尺度模型中,太阳焦点与外貌的“金属品貌”相似。可是Serenelli说,更多最新的研究已经开始质疑这一个假设。

这些研究讲明太阳的金属品貌较低。由于这些元素会调治热量从太阳焦点扩散的速度,这意味着研究认为太阳焦点的温度比之前的预计略低。中微子的发生对温度极其敏感,从总体上看,Borexino实验观察到的差别数量的中微子似乎与旧的金属品貌值一致,Serenelli说。

他和其他天体物理学家提出了一种可能的解释,认为太阳焦点的金属品貌要高于外层。它的组成可以展现更多关于太阳生命早期阶段的信息。(在太阳生命的早期阶段,行星还没有形成,而行星的形成会带走一些积累在年轻恒星上的金属。)

【编译/前瞻经济学人APP资讯组】

参考资料:https://www.scientificamerican.com/article/neutrinos-reveal-final-secret-of-suns-nuclear-fusion/