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来自包括马萨诸塞大学阿默斯特分校粒子物理学家安德里亚·波卡尔（Andrea Pocar）在内大约100名科学家组成的国际研究团队合作Borexino项目，在《自然》(Nature)期刊上发表了对来自太阳中微子的探测研究成果，首次直接揭示了碳-氮-氧（CNO）聚变循环在太阳和恒星中起作用。碳-氮-氧（CNO）聚变循环是驱动比太阳重的恒星的主要能量来源，但到目前为止还没有在任何恒星中直接检测到它。
在恒星生命的大部分时间里，恒星都是通过将氢聚变为氦来获取能量。在我们的太阳或更轻恒星中，这主要是通过“质子-质子”链发生。然而，许多恒星比太阳更重、更热，它们的组成中含有比氦更重的元素，这就是所谓的金属性。自20世纪30年代以来的预测是，在重恒星中，CNO周期将占主导地位。作为这些过程一部分而发射的中微子提供了一个光谱特征，使科学家能够区分那些来自质子-质子链的中微子和那些来自CNO循环的中微子。
研究确认了CNO在太阳中燃烧的事实，它在太阳中的运行只有1%，这增强了我们理解恒星内部原理的信心。除此之外，CNO中微子可以帮助解决恒星物理学中一个重要，但悬而未决的问题。也就是说，太阳的中心金属丰度（只能由来自核心的CNO中微子速率确定）与恒星其他地方的金属丰度有何关系。传统模型遇到了一个困难（用光谱学方法测量表面金属丰度与用另一种方法）日震学观测得出的次表面金属丰度测量结果不一致。
恒星核心金属丰度
中微子是科学上对包括太阳在内恒星核心的唯一直接探测器，但中微子非常难以测量。每秒有多达4200亿颗微粒撞击地球表面的每一平方英寸，但几乎所有的微粒都是在没有相互作用的情况下通过的，科学家只能使用背景辐射水平极低的大型探测器来探测它们。Borexino探测器位于意大利中部亚平宁山脉深处的INFN‘s Laboratory atori Nazionali del Gran Sasso。它探测到中微子与300吨重超纯有机闪烁体中电子碰撞时产生的闪光。
它巨大的深度、大小和纯度使Borexino成为这类科学研究中独一无二的低本底辐射探测器。该项目是在20世纪90年代初由米兰大学的詹保罗·贝里尼、普林斯顿的弗兰克·卡拉普里斯和贝尔实验室已故的拉朱·拉加万领导的一群物理学家发起。在探测之前，Borexino的合作研究已经成功地测量了质子-质子太阳中微子通量的组成部分，帮助改进了中微子振荡参数，最令人印象深刻的是，甚至测量了周期的第一步：非常低能量的pp中微子。
研究人员梦想着扩大科学范围，在背景特别低的狭窄光谱区域寻找CNO中微子，但这一奖项似乎遥不可及。然而，普林斯顿大学、弗吉尼亚理工大学和马萨诸塞州大学阿默斯特分校的研究小组认为，通过他们开发的额外净化步骤和方法，CNO中微子仍有可能被发现，以实现所需的精密探测器稳定性。多年来，由于一系列确定和稳定背景的举措，整个合作都取得了成功。除了揭示CNO中微子外，现在甚至有可能帮助解决金属丰度问题。
在发现CNO中微子之前，该实验室曾计划Borexino在2020年底结束运行。随着中心纯度的持续提高，科学家们继续收集数据，这使得关注金属丰度的新结果成为可能，数据收集可能会延长到2021年。波卡尔从普林斯顿的研究生时代起就在弗兰克·卡拉普赖斯(Frank Calaprice)领导的团队中参与这个项目，在那里他从事尼龙容器的设计、建造和流体处理系统的调试，现在还研究了描述CNO中微子测量背景的技术。
博科园｜www.bokeyuan.net
博科园｜研究/来自：马萨诸塞州阿默斯特大学
参考期刊《自然》
DOI：10.1038/s41586-020-2934-0
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