Ett överkänsligt instrument, djupt under jorden i Italien, har äntligen lyckats med den nästan omöjliga uppgiften att detektera CNO-neutriner (små partiklar som pekar på närvaron av kol, kväve och syre) från vår sols kärna. Dessa föga kända partiklar avslöjar den sista saknade detaljen i fusionscykeln som driver vår sol och andra stjärnor.

I resultat publicerade 26 november i tidskriften Natur (och med på omslaget), utredare av Borexino-samarbetet rapporterar de första upptäckterna av denna sällsynta typ av neutriner, kallas "spökpartiklar" eftersom de passerar genom det mesta utan att lämna ett spår.

Neutrinonen upptäcktes av Borexino-detektorn, ett enormt underjordiskt experiment i centrala Italien. Det multinationella projektet stöds i USA av National Science Foundation under ett delat anslag som övervakas av Frank Calaprice, professor i fysik emeritus vid Princeton; Andrea Pocar, en 2003 examen alumn från Princeton och professor i fysik vid University of Massachusetts-Amherst; och Bruce Vogelaar, professor i fysik vid Virginia Polytechnical Institute och State University (Virginia Tech).

Detekteringen av "spökpartiklar" bekräftar förutsägelser från 1930-talet att en del av vår sols energi genereras av en kedja av reaktioner som involverar kol, kväve och syre (CNO). Denna reaktion producerar mindre än 1% av solens energi, men det tros vara den primära energikällan i större stjärnor. Denna process frigör två neutriner - de lättaste kända elementarpartiklarna av materia - såväl som andra subatomära partiklar och energi. Den mer omfattande processen för väte-till-helium-fusion frigör också neutriner, men deras spektrala signaturer är olika, gör det möjligt för forskare att skilja mellan dem.

"Bekräftelse på att CNO brinner i vår sol, där det bara verkar på en 1 %-nivå, stärker vår tilltro till att vi förstår hur stjärnor fungerar, sa Calaprice, en av upphovsmännen till och huvudutredarna för Borexino.

CNO neutrinos:Fönster mot solen

Under stora delar av deras liv, stjärnor får energi genom att smälta samman väte till helium. I stjärnor som vår sol, detta sker främst genom proton-protonkedjor. Dock, i tyngre och hetare stjärnor, kol och kväve katalyserar väteförbränning och frigör CNO-neutriner. Att hitta några neutriner hjälper oss att titta in i arbetet djupt inne i solens inre; när Borexino-detektorn upptäckte proton-proton neutrinos, nyheterna lyste upp den vetenskapliga världen.

Men CNO-neutriner bekräftar inte bara att CNO-processen är igång i solen, de kan också hjälpa till att lösa en viktig öppen fråga inom stjärnfysik:hur mycket av solens inre består av "metaller, "som astrofysiker definierar som alla grundämnen som är tyngre än väte eller helium, och om kärnans "metallicitet" överensstämmer med solens yta eller yttre skikt.

Tyvärr, neutriner är oerhört svåra att mäta. Mer än 400 miljarder av dem träffar varje kvadrattum av jordens yta varje sekund, ändå passerar praktiskt taget alla dessa "spökpartiklar" genom hela planeten utan att interagera med någonting, tvingar forskare att använda mycket stora och mycket noggrant skyddade instrument för att upptäcka dem.

Borexino-detektorn ligger en halv mil under Apenninerna i centrala Italien, vid Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) vid Italiens nationella institut för kärnfysik, där en gigantisk nylonballong – cirka 30 fot i diameter – fylld med 300 ton ultrarena flytande kolväten hålls i en flerskikts sfärisk kammare som är nedsänkt i vatten. En liten del av neutrinerna som passerar genom planeten kommer att studsa av elektroner i dessa kolväten, producerar ljusblixtar som kan detekteras av fotonsensorer som kantar vattentanken. Det stora djupet, storlek och renhet gör Borexino till en helt unik detektor för denna typ av vetenskap.

Borexino-projektet initierades i början av 1990-talet av en grupp fysiker under ledning av Calaprice, Gianpaolo Bellini vid universitetet i Milano, och den bortgångne Raju Raghavan (då på Bell Labs). Under de senaste 30 åren, forskare runt om i världen har bidragit till att hitta proton-protonkedjan av neutriner och, för ungefär fem år sedan, teamet startade jakten på CNO-neutrinerna.

Dämpa bakgrunden

"De senaste 30 åren har handlat om att undertrycka den radioaktiva bakgrunden, " sa Calaprice.

De flesta neutriner som Borexino detekterar är proton-protonneutriner, men några få är igenkännbara CNO-neutriner. Tyvärr, CNO-neutriner liknar partiklar som produceras av det radioaktiva sönderfallet av polonium-210, en isotop som läcker från den gigantiska nylonballongen. Att skilja solens neutriner från poloniumföroreningen krävde en mödosam ansträngning, ledd av Princeton-forskare, som började 2014. Eftersom strålningen inte kunde förhindras från att läcka ut ur ballongen, forskarna hittade en annan lösning:ignorera signaler från den förorenade ytterkanten av sfären och skydda ballongens djupa inre. Det krävde att de dramatiskt bromsade hastigheten för vätskerörelsen i ballongen. Det mesta vätskeflödet drivs av värmeskillnader, så det amerikanska teamet arbetade för att uppnå en mycket stabil temperaturprofil för tanken och kolvätena, för att göra vätskan så stilla som möjligt. Temperaturen kartlades exakt av en rad temperatursonder installerade av Virginia Tech-gruppen, ledd av Vogelaar.

"Om denna motion kunde reduceras tillräckligt, vi kunde då observera de förväntade fem eller så lågenergirekylerna per dag som beror på CNO-neutriner, " sa Calaprice. "För referens, en kubikfot "frisk luft" - som är tusen gånger mindre tät än kolvätevätskan - upplever cirka 100, 000 radioaktiva sönderfall per dag, mestadels från radongas."

För att säkerställa stillhet i vätskan, Princeton och Virginia Tech forskare och ingenjörer utvecklade hårdvara för att isolera detektorn - i huvudsak en gigantisk filt att svepa runt den - 2014 och 2015, sedan lade de till tre värmekretsar som håller en perfekt stabil temperatur. De lyckades kontrollera temperaturen på detektorn, men säsongsbetonade temperaturförändringar i Hall C, där Borexino ligger, orsakade fortfarande små vätskeströmmar att kvarstå, döljer CNO-signalen.

Så två Princeton-ingenjörer, Antonio Di Ludovico och Lidio Pietrofaccia, arbetat med LNGS-personalingenjör Graziano Panella för att skapa ett speciellt luftbehandlingssystem som håller en stabil lufttemperatur i Hall C. Active Temperature Control System (ATCS), utvecklades i slutet av 2019, äntligen producerade tillräckligt med termisk stabilitet utanför och inuti ballongen för att tysta strömmarna inuti detektorn, slutligen hindra de kontaminerande isotoper från att transporteras från ballongväggarna in i detektorns kärna.

Ansträngningen gav resultat.

"Elimineringen av denna radioaktiva bakgrund skapade en region med låg bakgrund i Borexino som gjorde mätningen av CNO-neutriner möjlig, " sa Calaprice.

"Datan blir bättre och bättre"

Före upptäckten av CNO neutrino, labbet hade planerat att avsluta Borexinos verksamhet i slutet av 2020. Nu, det verkar som att datainsamlingen kan sträcka sig till 2021.

Volymen av stilla kolväten i hjärtat av Borexino-detektorn har fortsatt att växa i storlek sedan februari 2020, när uppgifterna för Natur papper samlades in. Det betyder att, bortom att avslöja CNO-neutrinerna som är föremål för denna veckas Natur artikel, det finns nu en potential att hjälpa till att lösa problemet med "metallicitet" också – frågan om kärnan, De yttre skikten och solens yta har alla samma koncentration av element som är tyngre än helium eller väte.

"Vi 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, " sa Calaprice. "Vi samlar inte bara in data, men uppgifterna blir bättre och bättre."