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幽灵颗粒在阳光下滑行 揭示了太阳能炉的内部运作

在 自然杂志上发表的结果中,Borexino合作的研究人员 报告了迄今为止太阳内部聚变反应产生的中微子的最详细记录。通常称为鬼粒,因为它们通过物质而不留下痕迹,中微子可以用作代理来确定构成太阳融合的反应链 - 这种反应会喷出太阳的巨大能量。

物理学家使用这种技术是因为太阳太密集,以至于太阳中心反应产生的光和能量需要数万年才能到达太阳周边,在那里可以观察到它们。另一方面,中微子与物质的相互作用很弱,太阳核心产生的物质可以在产生它们的反应的几分钟内在地球上观察到。

“实验的一个主要目标是探测太阳核心产生的中微子,” 普林斯顿大学物理学荣誉教授, Borexino的创始人和主要研究者之一Frank Calaprice说 。“这些中微子是由我们看不到的核心核反应产生的。他们告诉你在太阳下发生的能产生能量并产生中微子的过程。“

近年来,各种研究小组已经探测到太阳中微子,但Borexino研究人员在“自然”杂志上的报告提出了太阳中微子的第一个全能谱。该报告涉及与太阳中主要的聚变反应链相关的中微子,称为质子 - 质子或pp,聚变反应链。pp反应链产生99%的太阳能量。

Borexino最初计划背后的动机是回答物理学中一个长期存在的太阳中微子问题。从本质上来说,科学家发现很少有中微子从太阳撞击地球,而物理标准模型可以解释这一点。Borexino和其他项目着手解决这一差异。在21世纪初期,萨德伯里中微子天文台的研究人员证实,中微子在从太阳到地球的路上振荡,有些变为不容易探测到的状态。

Borexino的努力继续测量中微子,以更好地了解振荡并更好地了解太阳。本文报道的结果证实了MSW理论预测的振荡,该理论首先由研究人员Stanislav Mikheyev,Alexei Smirnov和Lincoln Wolfenstein开发并命名。

结果使物理学家能够更好地了解太阳能过程。由于Borexino最近发现的反应能量将需要几个世纪才能从内部出现,因此中微子探测器使科学家能够将当前太阳内部产生的能量与我们今天在太阳表面观测到的能量进行比较。由于表面能量是数万年前产生的,科学家们可以得出结论,太阳已经处于相对热力学平衡状态至少10万年。

来自Borexino的太阳中微子光谱也是解决长期存在的关于太阳化学成分的问题的第一步,称为“金属性”,指的是太阳中比氦重的原子的丰度。正在进行的科学争论是太阳内部是否具有高或低的金属度。新的Borexino测量表明,具有高金属度的太阳能模型受到青睐; 然而,研究人员告诫说,在得出任何结论之前还需要做更多的工作。

Borexino 合作由来自意大利,美国,德国,俄罗斯,波兰和匈牙利等国家的科学家组成。在普林斯顿大学,该项目涉及研究人员和学生团队。除了Calaprice之外,普林斯顿的研究人员还包括 物理学教授Cristiano Galbiati和 化学与生物工程教授 Jay Benziger。 现任普林斯顿大学副校长的Paul LaMarche在创建探测器期间担任项目经理。

这座四层高的探测器位于意大利Gran Sasso国家实验室的花岗岩地块中,地下4600英尺。探测器的核心由两个巨大的嵌套尼龙气球组成,直径36英尺,充满了一种叫做闪烁体的石油基液体。气球被封装在一个内衬2,000个光传感器的不锈钢球体内。当中微子与闪烁体流体中的电子相互作用时,它们会产生由传感器检测到的短暂闪光。尼龙气球和闪烁体净化系统 在普林斯顿 的Calaprice,Galbiati和Benziger的指导下建造,然后运往意大利并安装在Gran Sasso的地下实验室。

Borexino探测器的成功依赖于探测器和闪烁体清洁度的非凡措施。Borexino研究人员建造了一个化学工厂,每小时净化1吨闪烁体。净化系统的目的是减少背景辐射。最后,它将一吨闪烁体中的污染物水平降低到每天不到一个放射性衰变。相比之下,一吨空气通常每天有20亿衰变。由于环境中的天然放射性导致的这种低背景是前所未有的,并且对于测量太阳中微子是至关重要的。

Benziger说,该项目需要的化学工厂比典型实验室中使用的化工厂大得多。“Borexino充满了100万公斤的有机闪烁体。典型的有机化学台式实验室每小时蒸馏约10加仑。按照这个速度,填充Borexino探测器需要11,000年,“他说。“Borexino净化系统每小时处理1000千克,将探测器填充时间减少到两个月。”

经过15年的开发,测试和建设,Borexino探测器于2007年开始使用。此后,它发明了太阳中微子和地球反应中发射的中微子的一系列重要发现,即地球中微子。虽然pp周期中微子的全谱描述涵盖了10年的数据收集,但Borexino将继续运行到2020年。研究人员希望从太阳反应中测量中微子,称为碳 - 氮 - 氧循环。据信,这个周期不会产生太阳光能量的1%,尽管它被认为在更大质量的恒星中起主导作用。

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