Cirka 99 procent av solens energi som sänds ut som neutriner produceras genom kärnreaktionssekvenser initierade av proton-proton (pp) fusion där väte omvandlas till helium, säger forskare inklusive fysikern Andrea Pocar vid University of Massachusetts Amherst. Idag rapporterar de nya resultat från Borexino, en av de känsligaste neutrinodetektorerna på planeten, ligger djupt under Italiens Apenninerna.

"Neutrinos som emitteras av denna kedja representerar ett unikt verktyg för sol- och neutrinofysik, " förklarar de. Deras nya tidning i Natur rapporterar om "den första kompletta studien av alla komponenter i pp-kedjan utförd av Borexino." Dessa komponenter inkluderar inte bara pp neutrinos, men andra kallade Beryllium-7 (7Be), pep och Boron-8 (8B) neutriner. pp-fusionsreaktionen av två protoner för att producera deuteron, kärnor av deuterium, är det första steget i en reaktionssekvens som ansvarar för cirka 99 procent av solens energiproduktion, säger Pocar.

Han lägger till, "Vad som är nytt idag är inkrementellt, det är inte ett språng, men det är kronan på mer än 10 års datainsamling med experimentet att visa hela solens energispektrum på en gång. Våra resultat minskar osäkerheten, vilket kanske inte är flashigt men det är en typ av framsteg som ofta inte erkänns tillräckligt inom vetenskapen. Värdet är att mätningarna blir mer exakta eftersom med mer data och tack vare arbetet av engagerade unga fysiker, vi har en bättre förståelse för den experimentella apparaten."

"Borexino erbjuder den bästa mätningen som någonsin gjorts för pp, 7Var och peppa neutrinos, " tillägger han. "Andra experiment mäter 8B neutrinos mer exakt, men vårt mått, med en lägre tröskel, är förenlig med dem."

Ytterligare, "När du har mer exakta uppgifter, du kan mata tillbaka den till modellen för hur solen beter sig, då kan modellen förfinas ännu mer. Allt leder till att man förstår solen bättre. Neutrinos har berättat för oss hur solen brinner och, i tur och ordning, solen har försett oss med en unik källa för att studera hur neutriner beter sig. Borexino, planerad att pågå i ytterligare två till tre år, har stärkt vår förståelse av solen mycket djupt."

För tidigare studier av pp, 7B, pep och 8B neutrinos, teamet hade fokuserat på var och en separat i riktade analyser av insamlad data i begränsade energifönster, "som att försöka karakterisera en skog genom att ta en bild var och en av många individuella typer av träd, " Pocar noterar. "Flera bilder ger dig en uppfattning om en skog, men det är inte samma sak som fotot av hela skogen."

"Vad vi har gjort nu är att ta ett enda foto som speglar hela skogen, hela spektrat av alla olika neutriner i ett. Istället för att zooma in för att titta på små bitar, vi ser allt på en gång. Vi förstår vår detektor så väl nu, vi är bekväma och övertygade om att vårt enda skott är giltigt för hela spektrumet av neutrinoenergier."

Solneutriner strömmar ut ur stjärnan i mitten av vårt system med nästan ljusets hastighet, så många som 420 miljarder träffar varje kvadrattum av jordens yta per sekund. Men eftersom de bara interagerar genom den kärnvapensvaga kraften, de passerar nästan opåverkade genom materia, vilket gör dem mycket svåra att upptäcka och särskilja från spår av kärnsönderfall av vanliga material, säger Pocar.

Borexino-instrumentet upptäcker neutriner när de interagerar med elektronerna i en ultraren organisk vätskescintillator i mitten av en stor sfär omgiven av 1, 000 ton vatten. Dess stora djup och många lökliknande skyddande lager håller kärnan som det mest strålningsfria mediet på planeten. Det är den enda detektorn på jorden som kan observera hela spektrumet av solneutrino samtidigt, som nu har fullbordats, konstaterar han.

UMass Amherst fysiker, en huvudutredare i ett team av mer än 100 forskare, är särskilt intresserad av att nu vända sitt fokus till att mäta ännu en typ av solneutrino känd som CNO-neutriner, som han hoppas kommer att vara användbar för att ta itu med en viktig öppen fråga inom stjärnfysik, det är metalliciteten, eller metallinnehåll, av solen.

"Det finns två modeller som förutsäger olika nivåer av grundämnen tyngre än helium, som för astronomer är en metall, i solen; en lättare metallicitet och en tyngre modell, " noterar han. CNO-neutriner emitteras i en cyklisk fusionsreaktionssekvens som skiljer sig från pp-kedjan och subdominant i solen, men tros vara den huvudsakliga kraftkällan för tyngre stjärnor. CNO-solens neutrinoflöde påverkas kraftigt av solens metallicitet.

Pocar säger, "Våra data visar möjligen en viss preferens för tung metallicitet, så vi kommer att undersöka det eftersom neutriner från solen, speciellt CNO, kan hjälpa oss att reda ut det här."