Neutrinoer giver det første eksperimentelle bevis på katalyseret fusion dominerende i mange stjerner

Et internationalt hold på omkring 100 videnskabsmænd fra Borexino Collaboration, herunder partikelfysiker Andrea Pocar ved University of Massachusetts Amherst, melde ind Natur denne uge opdagelse af neutrinoer fra solen, afslører direkte for første gang, at carbon-nitrogen-oxygen (CNO) fusionscyklussen er på arbejde i vores sol.

CNO-cyklussen er den dominerende energikilde, der driver stjerner, der er tungere end solen, men det var indtil videre aldrig blevet opdaget direkte i nogen stjerne, Pocar forklarer.

I det meste af deres liv, stjerner får energi ved at fusionere brint til helium, tilføjer han. I stjerner som vores sol eller lighter, dette sker for det meste gennem 'proton-proton'-kæderne. Imidlertid, mange stjerner er tungere og varmere end vores sol, og omfatter grundstoffer tungere end helium i deres sammensætning, en kvalitet kendt som metallicitet. Forudsigelsen siden 1930'erne er, at CNO-cyklussen vil være dominerende i tunge stjerner.

Neutrinoer, der udsendes som en del af disse processer, giver en spektral signatur, der gør det muligt for forskere at skelne dem fra 'proton-proton-kæden' fra dem fra 'CNO-cyklussen.' Pocar påpeger, "Bekræftelse af CNO-brænding i vores sol, hvor den kun opererer på én procent, styrker vores tillid til, at vi forstår, hvordan stjerner fungerer."

Ud over dette, CNO neutrinoer kan hjælpe med at løse et vigtigt åbent spørgsmål inden for stjernernes fysik, tilføjer han. Det er, hvordan solens centrale metallicitet, som kun kan bestemmes af CNO neutrinohastigheden fra kernen, er relateret til metallicitet andre steder i en stjerne. Traditionelle modeller er stødt ind i en vanskelighed - overflademetallicitetsmålinger ved spektroskopi stemmer ikke overens med de underjordiske metallicitetsmålinger udledt af en anden metode, helioseismologiske observationer.

Pocar siger, at neutrinoer i virkeligheden er den eneste direkte sonde, videnskaben har for stjernernes kerne, inklusive solen, men de er overordentlig svære at måle. Så mange som 420 milliarder af dem rammer hver kvadratcentimeter af jordens overflade i sekundet, alligevel passerer stort set alle igennem uden at interagere. Forskere kan kun opdage dem ved hjælp af meget store detektorer med usædvanligt lave baggrundsstrålingsniveauer.

Borexino-detektoren ligger dybt under Appenninerne i det centrale Italien ved INFN's Laboratori Nazionali del Gran Sasso. Den registrerer neutrinoer som lysglimt, der produceres, når neutrinoer kolliderer med elektroner i 300 tons ultraren organisk scintillator. Dens store dybde, størrelse og renhed gør Borexino til en unik detektor for denne type videnskab, alene i sin klasse for lavbaggrundsstråling, siger Pocar. Projektet blev igangsat i begyndelsen af ​​1990'erne af en gruppe fysikere ledet af Gianpaolo Bellini ved universitetet i Milano, Frank Calaprice hos Princeton og afdøde Raju Raghavan på Bell Labs.

Indtil de seneste opdagelser, Borexino-samarbejdet havde med succes målt komponenter af 'proton-proton' solneutrinofluxen, hjalp med at forfine neutrinosmags-oscillationsparametre, og mest imponerende, målte endda det første trin i cyklussen:de meget lavenergi 'pp' neutrinoer, husker Pocar.

Dets forskere drømte om at udvide det videnskabelige omfang til også at lede efter CNO-neutrinoerne - i et smalt spektralområde med særlig lav baggrund - men den pris virkede uden for rækkevidde. Imidlertid, forskningsgrupper i Princeton, Virginia Tech og UMass Amherst mente, at CNO-neutrinoer endnu kunne blive afsløret ved hjælp af de yderligere oprensningstrin og metoder, de havde udviklet for at realisere den udsøgte detektorstabilitet, der kræves.

Gennem årene og takket være en række træk for at identificere og stabilisere baggrunden, de amerikanske videnskabsmænd og hele samarbejdet lykkedes. "Ud over at afsløre CNO-neutrinoerne, som er emnet for denne uges Nature-artikel, der er nu endda et potentiale til også at hjælpe med at løse metallicitetsproblemet, " siger Pocar.

Før CNO neutrino opdagelsen, laboratoriet havde planlagt, at Borexino skulle afslutte driften ved udgangen af ​​2020. Men fordi de data, der blev brugt i analysen til Nature-papiret, var frosset, videnskabsmænd er fortsat med at indsamle data, da den centrale renhed er blevet ved med at blive bedre, gør et nyt resultat fokuseret på metalliciteten til en reel mulighed, siger Pocar. Dataindsamling kan strække sig ind i 2021, da den nødvendige logistik og tilladelse, undervejs, er ikke-trivielle og tidskrævende. "Hver ekstra dag hjælper, " bemærker han.

Pocar har været med i projektet siden sin kandidatskoletid i Princeton i gruppen ledet af Frank Calaprice, hvor han arbejdede på designet, konstruktion af nylonbeholderen og idriftsættelse af væskehåndteringssystemet. Han arbejdede senere med sine studerende på UMass Amherst om dataanalyse og, seneste, om teknikker til at karakterisere baggrunden for CNO-neutrinomålingen.