在恆星的一生中，其大部分時間都是通過將氫聚變為氦來獲取能量的。這種聚變反應可通過兩個過程進行，一種是所謂的質子-質子鏈，另一種是碳氮氧（CNO）循環。在太陽大小的恆星中，質子-質子鏈主導著能量的產生，而CNO循環大約只佔了1%。根據標準太陽模型（SSM）的預測，對於那些比太陽更重、更熱的恆星來說，主要的供能反應是由CNO循環主導的。
從理論的角度來看，大家對於這兩種過程都已經有了較好的理解。質子-質子鏈這一過程已經得到了實驗的證實，但科學家一直沒有在任何恆星中直接探測到過CNO循環這一過程。
直到最近，在一項剛發表在《自然》雜誌上的論文中，研究人員報告了他們探測到了由CNO循環所產生的太陽中微子。這是中微子物理學的一個里程碑，它是
首個直接證明了在太陽中存在CNO循環的證據。這些中微子測量有望幫助科學家進一步確認太陽核心的組成，併為大質量恆星的形成提供重要見解。
太陽的核聚變反應可以產生數量驚人的中微子：每一秒，都有大約千億個太陽中微子穿過我們的拇指甲。無論是質子-質子鏈還是CNO循環，都會產生無數的中微子，科學家可以通過分析這些中微子的光譜特徵，來區分出由質子-質子鏈產生的中微子和由CNO循環中所產生的中微子。
然而，在實驗室中捕獲來自太陽的中微子是一項極其艱難的任務，其主要原因在於這些微小的、電中性亞原子粒子幾乎不與任何其他物質發生相互作用，它們也因此常被稱為“幽靈粒子”。這樣的特性使得在太陽中心產生的中微子能以接近光速的速度離開太陽內部，在8分鐘左右的時間內就抵達地球，而不用像同樣產生自太陽核心的光子那樣，需要數萬年的時間才能逃離太陽。
因此，中微子為科學家瞭解太陽的核心打開了一扇獨特的窗口。可以說，觀測由發生在太陽核心的核聚變所釋放的中微子，是對太陽內部可以進行的唯一直接探測。
一直以來，科學家都希望能夠測量到太陽中由CNO循環所產生的中微子通量，以此來確定碳、氮、氧這些元素在太陽核心的丰度，從而更好地瞭解恆星的溫度和密度以及恆星的演化。然而，探測由太陽中的CNO循環所產生的中微子將中微子探測這一本就艱鉅任務的難度又提升了一個級別。它面臨許多挑戰，因為CNO中微子有著很低的能量和通量，並且要將中微子信號從一些背景信號源（比如放射性衰變）中篩選出來十分困難。
新發表的研究是一個國際研究團隊“Borexino合作組”完成的。Borexino探測器位於意大利中部的亞平寧山脈的地下深處，它的深度、尺寸和超低的背景輻射，都使之成為了進行這類科學研究的優秀探測器。
Borexino實驗裝置中含有300噸液體有機閃爍體，這些閃爍體是一些由水、礦物油和其他物質的構成的介質，當帶電粒子穿過時會產生光。Borexino合作組的研究人員想要檢測的就是當太陽中微子散射了閃爍體中的電子時所產生的光。對探測到的光的能量和時間進行精確測量，就能夠將由太陽中微子引起的閃光和由其他光源（例如閃爍體本身以及實驗器件中的放射性汙染）產生的閃光區分開來。
Borexino探測器+太陽。| 圖片來源：Borexino Collaboration/Maxim Gromov
對如此海量的數據進行精確的評估和分析同樣不是一件易事，這就宛如大海撈針一樣。Borexino實驗已經進行了多年的“淨化”工作，所以與之前和正在進行的所有太陽中微子實驗相比，Borexino實驗的閃爍體中的放射性汙染物水平幾近於零，是前所未有的低水平。
最終，他們以很高的統計顯著性，順利地完成了探測CNO中微子這一極具挑戰性的任務。所得到的測量結果與理論預期所認為的太陽中的CNO循環會產生約1%的能量相一致。
在CNO循環中，氫的聚變是由碳、氮、氧催化的，所以CNO循環的速率，以及釋放的CNO中微子通量，與恆星的
金屬度（在天體物理學中，任何比氦重的元素都被稱為金屬）直接相關。雖然此次新研究所產生的測量結果還沒有精確到足以解決太陽金屬度的問題，但它卻為使用CNO中微子直接測量太陽的金屬度鋪平了道路。未來，研究人員還將希望通過發展出創新的方法來識別和抑制放射性汙染所造成的背景噪聲，以此來提高Borexino實驗結果的精度。這是首次通過實驗實現的對CNO中微子的檢測，它標誌著中微子領域研究向前邁進了一大步，為宇宙中恆星從氫轉化為氦的主要機制提供了實驗證據。
參考來源：
https://www.umass.edu/newsoffice/article/neutrinos-yield-first-experimental
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2934-0
