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它从太阳核心来,每秒钟数万亿粒子穿过你的身体,终于被人类发现

  • 2020/6/29 20:02:00
  • 来源:姿势分子knowledge

当你刚刚开始看这篇文章的时候,已经有数万亿颗中微子从你的身体中穿过,而你却全然不知。

它从太阳核心来,每秒钟数万亿粒子穿过你的身体,终于被人类发现

(图片说明:没有人知道中微子到底是什么样的,但它和宇宙的命运息息相关)

“永远也找不到”的

中微子是宇宙中最神秘的粒子之一,它不与我们已知的其他任何粒子有明显的相互作用,因此我们想要检测它非常困难。而且它体积和质量都极小,所以即使从你的身体中穿过去,也不会给你带来任何的伤害和感受。别说是你,连地球都会被它穿透。

正是由于这样的性质,当著名物理学家泡利在预言这个粒子的时候都自信地说:人类可能永远也找不到这种粒子。不过,最终物理学家们还是通过他们的才智,发现了这种粒子。

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(图片说明:泡利声称中微子不可能被发现,但是临终前两年被“打脸”)

这数万亿个中微子中,有一些来自于宇宙以及我们建立的核电站,但绝大部分都来自于我们头顶上的太阳,它在进行核聚变的过程中会释放出巨量的中微子。关于太阳中微子的检测,科学家们已经进行了许多年,并且成功地检测到了它们的存在。不过此前检测到的太阳中微子,只是其中一种“配方”。最近,在意大利从事Borexino实验的科学家们经过多次的努力,终于捕获到了第二种“配方”的中微子。

碳氮氧循环

这个“配方”,物理学家们称之为CNO。所谓的CNO,指的是太阳的碳-氮-氧循环(三个元素的符号)。碳氮氧循环也叫贝斯-魏茨泽克-循环,是恒星核心处将氢转换成氦的两种过程之一(另一个就是我们熟知的核聚变)。这个循环通常发生在太阳或者比太阳更小的恒星中,其反应过程如下:

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(图片说明:碳氮氧循环反应方程式)

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(图片说明:碳氮氧循环示意图)

当我们将这些方程式“叠加”在一起就会发现,它的本质就是4个质子最终转化成一个α粒子(氦原子核)、2个正电子(与电子湮灭,以γ射线的形式释放出能量)以及2个中微子,碳、氮、氧都是起到催化剂的作用。在太阳的核心处,大约有1.7%的4氦核是通过这个循环合成的。另外,还有0.04%来自于特殊形式的碳氮氧循环。

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(图片说明:特殊形式的碳氮氧循环)

中微子本就难以探测,而CNO中微子更是容易混杂在其他中微子中,所以人类始终只闻其名,不见其真容。科学家为了寻找这个循环的证据已经努力了几十年,如今终于有所收获。

来自意大利米兰国家核物理研究所的物理学家Gioacchino Ranucci指出:“利用这个结果,Borexino终于完全揭开了为太阳提供能源的两个过程的秘密。”

Borexino实验

CNO中微子之所以难以发现,就在于我们很难将它和太阳释放的其他中微子区分开来。

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(图片说明:Borexino实验的主体设备)

为此,Borexino的科学家们设计了一套非常复杂的实验设备。简单来说,它的主体是一个巨大的不锈钢球,并且在其中装入偏三甲苯(pseudocumene)作为闪烁溶剂。当中微子在偏三甲苯中穿越的时候,会出现非常微弱的闪烁现象,证明它的存在。为了屏蔽掉其他的宇宙粒子,他们将这套设备置于水箱之中,并且整个实验室都建立在深深的地下。

即便如此,中微子的现象也不是那么容易捕捉。我们刚才说了,中微子几乎不与其他粒子发生反应。由于原子的绝大部分空间都是空的,原子核和电子只占了极小的位置,所以中微子可以轻松穿越一颗原子。它们只有10^-46平方厘米的小窗口内通过,才有希望撼动原子核。

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(图片说明:Borexino是世界上最好的中微子探测实验之一)

好在中微子是宇宙中含量第二多的粒子,所以平均下来每天也有那么几十个中微子会足够靠近原子核,然后被我们发现。

而Borexino实验则对溶剂进行了长达数年的微调,使其能够剔除掉具有特定冲击力的(即质子-质子链反应过程产生的)中微子,最终专注于观察其他核反应过程中产生的中微子。

早在2007年的时候,他们就已经检测到了-7和硼-8等同位素的生产,让现代物理标准模型进一步完善。而这一次,他们实现了对后面元素的检测,证实了太阳内部的碳氮氧循环。他们介绍说,地球上每平方厘米的面积上,每秒钟就有大约7亿个CNO中微子穿过。

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(图片说明:图中密密麻麻的都是光电倍增管,当中微子被检测到时,它们会产生电信号提醒科学家)

一石激起千层浪

虽然这次研究只是在中微子2020网络会议上有所介绍,其细节还没有经过同行评审,但是此消息一经公布,就迅速吸引了物理学家们的浓厚兴趣。

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(图片说明:Borexino实验可以同时统计太阳核心多种核反应过程释放的中微子)

来自澳大利亚国立大学的粒子物理学家Lindsey Bignell虽然没有参与本次研究,但是他一直在密切地关注着同行们的工作。他指出:“Borexino合作项目的探测结果代表了一个英雄式的成就巅峰,他们将背景中的干扰消除了足够的程度,最终探测到了CNO中微子。这些结果对于我们来说至关重要,还有望解决太阳内部金属元素的问题。”

说起来的确有点奇怪,但是我们对于太阳的金属元素含量了解确实比较有限,当我们用两种方法进行探测的时候,两个结果相差达到了28%。科学家们寄希望于通过CNO中微子能够采用第三种方法进行计算,告诉我们到底哪一个数据是正确的(当然,也不排除得到第三种结果的尴尬可能性)。

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(图片说明:Borexino也可以测量地球核心处放射性元素衰变时释放的中微子)

我们需要利用CNO中微子确定太阳内部的碳、氮、氧元素的含量,这对于我们理解太阳的形成和演化来说非常有帮助。在比太阳更重的恒星中,碳氮氧循环过程发生得更加频繁,但是在能够近距离探测它们之前,我们只能通过太阳的CNO中微子了解这些恒星的演化历程。更重要的是,中微子还牵连着整个宇宙的命运。

总结

除了上面说的两种核聚变之外,太阳核心处还有很多种形式的核聚变反应,比如pep反应、Hep反应等等。我们不可能真的进入太阳内部进行探测,所以中微子就成为了我们研究太阳内部核反应的重要工具。

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(图片说明:我国的江门中微子实验)

同时,中微子也和宇宙的命运有着密切的关系。有些科学家认为,中微子是暗物质的最有希望候选者。与此同时,中微子也是解释为何宇宙中物质比反物质多的一把钥匙。因此,中微子的研究也成为了世界各国物理学家的重点观测对象。在我国也有许多中微子实验,正在揭秘这个特殊的粒子,相信宇宙的真面目正在一点点向我们展现,

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