Ett internationellt team av cirka 100 forskare från Borexino Collaboration, inklusive partikelfysikern Andrea Pocar vid University of Massachusetts Amherst, Rapportera in Natur denna vecka upptäckt av neutriner från solen, avslöjar direkt för första gången att fusionscykeln kol-kväve-syre (CNO) är igång i vår sol.

CNO-cykeln är den dominerande energikällan som driver stjärnor tyngre än solen, men det hade hittills aldrig direkt upptäckts i någon stjärna, Pocar förklarar.

Under stora delar av deras liv, stjärnor får energi genom att smälta väte till helium, han lägger till. I stjärnor som vår sol eller ljusare, detta sker mestadels genom "proton-proton"-kedjorna. Dock, många stjärnor är tyngre och varmare än vår sol, och inkluderar grundämnen som är tyngre än helium i sin sammansättning, en kvalitet som kallas metallicitet. Förutsägelsen sedan 1930-talet är att CNO-cykeln kommer att vara dominerande i tunga stjärnor.

Neutrinos som avges som en del av dessa processer ger en spektral signatur som gör det möjligt för forskare att skilja dem från "proton-protonkedjan" från de från "CNO-cykeln." Pocar påpekar, "Bekräftelse på att CNO brinner i vår sol, där det bara verkar på en procent, stärker vår tilltro till att vi förstår hur stjärnor fungerar."

Utöver detta, CNO-neutriner kan hjälpa till att lösa en viktig öppen fråga inom stjärnfysik, han lägger till. Det är, hur solens centrala metallicitet, som endast kan bestämmas av CNO-neutrinohastigheten från kärnan, är relaterad till metallicitet någon annanstans i en stjärna. Traditionella modeller har stött på en svårighet - ytmetallicitetsmätningar med spektroskopi stämmer inte överens med de underjordiska metallicitetsmätningarna som härleds från en annan metod, helioseismologiska observationer.

Pocar säger att neutriner verkligen är den enda direkta sond vetenskap har för kärnan av stjärnor, inklusive solen, men de är oerhört svåra att mäta. Så många som 420 miljarder av dem träffar varje kvadrattum av jordens yta per sekund, ändå passerar praktiskt taget alla igenom utan att interagera. Forskare kan bara upptäcka dem med mycket stora detektorer med exceptionellt låga bakgrundsstrålningsnivåer.

Borexino-detektorn ligger djupt under Apenninerna i centrala Italien vid INFN:s Laboratori Nazionali del Gran Sasso. Den upptäcker neutriner som ljusblixtar som produceras när neutriner kolliderar med elektroner i 300 ton ultraren organisk scintillator. Dess stora djup, storlek och renhet gör Borexino till en unik detektor för denna typ av vetenskap, ensam i sin klass för lågbakgrundsstrålning, säger Pocar. Projektet initierades i början av 1990-talet av en grupp fysiker under ledning av Gianpaolo Bellini vid universitetet i Milano, Frank Calaprice på Princeton och den bortgångne Raju Raghavan på Bell Labs.

Fram till dess senaste upptäckter, Borexino-samarbetet hade framgångsrikt mätt komponenter i 'proton-proton' solneutrino flöden, hjälpte till att förfina parametrar för neutrinosmak-oscillation, och mest imponerande, mätte till och med det första steget i cykeln:de mycket lågenergiska 'pp'-neutrinerna, minns Pocar.

Dess forskare drömde om att utöka det vetenskapliga omfånget till att även leta efter CNO-neutrinerna – i ett smalt spektralområde med särskilt låg bakgrund – men det priset verkade utom räckhåll. Dock, forskargrupper vid Princeton, Virginia Tech och UMass Amherst trodde att CNO-neutriner ännu kunde avslöjas med hjälp av de ytterligare reningsstegen och metoder som de hade utvecklat för att förverkliga den utsökta detektorstabiliteten som krävs.

Under åren och tack vare en sekvens av rörelser för att identifiera och stabilisera bakgrunderna, de amerikanska forskarna och hela samarbetet var framgångsrikt. "Utöver att avslöja CNO-neutrinerna som är ämnet för veckans Nature-artikel, det finns nu till och med en potential att hjälpa till att lösa metallicitetsproblemet också, "Säger Pocar.

Före upptäckten av CNO neutrino, labbet hade planerat att Borexino skulle avsluta sin verksamhet i slutet av 2020. Men eftersom data som användes i analysen för Nature-tidningen var frysta, forskare har fortsatt att samla in data, eftersom den centrala renheten har fortsatt att förbättras, göra ett nytt resultat fokuserat på metalliciteten till en verklig möjlighet, säger Pocar. Datainsamlingen kan sträcka sig till 2021 eftersom logistiken och tillstånden krävs, under tiden, är icke-triviala och tidskrävande. "Varje extra dag hjälper, " konstaterar han.

Pocar har varit med i projektet sedan sin forskarskola i Princeton i gruppen ledd av Frank Calaprice, där han arbetade med designen, konstruktion av nylonkärlet och idrifttagning av vätskehanteringssystemet. Han arbetade senare med sina studenter vid UMass Amherst på dataanalys och, senast, om tekniker för att karakterisera bakgrunderna för CNO-neutrinomätningen.