體物理學(xué)最新研究：太陽(yáng)碳氮氧循環(huán)產(chǎn)生中微子

英國(guó)《自然》雜志25日發(fā)表的一項(xiàng)天體物理學(xué)最新研究，科學(xué)家報(bào)告了太陽(yáng)次要聚變碳氮氧循環(huán)所產(chǎn)生中微子的首個(gè)直接實(shí)驗(yàn)證據(jù)。測(cè)量這些中微子可以為人類了解太陽(yáng)結(jié)構(gòu)和太陽(yáng)核心內(nèi)的元素豐度提供重要線索。

恒星的能量來(lái)自氫到氦的核聚變，這通過(guò)兩個(gè)過(guò)程發(fā)生：質(zhì)子-質(zhì)子鏈反應(yīng)和碳氮氧循環(huán)，前者只涉及氫氦同位素，后者靠碳氮氧催化聚變。

其中，質(zhì)子-質(zhì)子鏈反應(yīng)是與太陽(yáng)大小類似的恒星的主要能量產(chǎn)生方式，約占全部生產(chǎn)能量的99%，這一點(diǎn)已得到廣泛研究。但研究碳氮氧循環(huán)更具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)橥ㄟ^(guò)這種機(jī)制產(chǎn)生的中微子，每天只比背景信號(hào)多幾個(gè)而已。

意大利國(guó)家核物理研究所格蘭薩索國(guó)家實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，博瑞西諾合作組織正致力于研究極其罕見(jiàn)的中微子相互作用，這一聯(lián)合研究項(xiàng)目組由來(lái)自意大利、法國(guó)、德國(guó)、波蘭、俄羅斯、美國(guó)等多國(guó)研究人員構(gòu)成。

此次，他們報(bào)告檢測(cè)到了太陽(yáng)碳氮氧聚變循環(huán)期間發(fā)射出的中微子，且具有高統(tǒng)計(jì)顯著性。他們使用的是意大利格蘭薩索國(guó)家實(shí)驗(yàn)室高靈敏度的博瑞西諾檢測(cè)器。該儀器由一個(gè)大約18米高的容器組成，其中裝有254噸液體，當(dāng)液體中的電子與中微子相互作用時(shí)，液體會(huì)閃爍發(fā)光，更為明亮的閃光表明能量更高，則更有可能是來(lái)自碳氮氧循環(huán)產(chǎn)生的中微子。這一檢測(cè)器能夠排除或解釋大部分的背景噪音源。在最新的研究中，團(tuán)隊(duì)表示，出現(xiàn)的結(jié)果代表了迄今第一個(gè)關(guān)于碳氮氧循環(huán)的直接實(shí)驗(yàn)證據(jù)，證明碳氮氧循環(huán)貢獻(xiàn)了1%左右的太陽(yáng)能量(符合理論預(yù)測(cè))。

研究人員提出，測(cè)量碳氮氧聚變產(chǎn)生的中微子，可以確定恒星中碳氮氧的豐度。據(jù)信，碳氮氧循環(huán)對(duì)質(zhì)量大于太陽(yáng)的恒星的能量生產(chǎn)具有更大的貢獻(xiàn)。了解恒星中重量大于氦的元素的豐度(即金屬性)，有助于我們了解不同恒星的主導(dǎo)能量來(lái)源。

在論文隨附的“新聞與觀點(diǎn)”文章中，美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校科學(xué)家哥布里爾·奧萊比·格恩表示，博瑞西諾合作組織的工作讓人們能夠更進(jìn)一步地全面認(rèn)識(shí)太陽(yáng)和大質(zhì)量恒星的形成，其或?qū)榭茖W(xué)界定義未來(lái)幾年這個(gè)領(lǐng)域的研究目標(biāo)。

總編輯圈點(diǎn)

其實(shí)有兩種類型的核聚變反應(yīng)發(fā)生在太陽(yáng)核心。第一種最常見(jiàn)，質(zhì)子-質(zhì)子鏈反應(yīng)，即質(zhì)子融合轉(zhuǎn)化氫變成氦;第二種就是碳氮氧循環(huán)。這兩種類型會(huì)產(chǎn)生不同的中微子，這些幾乎沒(méi)有質(zhì)量的亞原子粒子，在大部分時(shí)間里都可以沒(méi)有任何跡象地穿過(guò)普通物質(zhì)，難以被我們發(fā)現(xiàn)，尤其第二種類型，更是難上加難。不過(guò)，在博瑞西諾儀器內(nèi)部，有很多靈敏探測(cè)器排列在一個(gè)大水箱里，它們與地球表面宇宙射線的背景輻射隔離開(kāi)來(lái)，不讓其他信號(hào)“淹沒(méi)”來(lái)自碳氮氧循環(huán)的中微子，終于幫助科學(xué)家探測(cè)到這一循環(huán)產(chǎn)生的稀有信號(hào)。(記者張夢(mèng)然)

關(guān)鍵詞： 太陽(yáng)碳氮氧循環(huán)產(chǎn)生中微子