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在地下数千米处，地壳的深处，科学家们终于观测到太阳中微子将碳-13转化为氮-13的过程。这是首次观测到这种罕见的中微子介导核反应，揭示了宇宙中一些最难以捉摸、最无形的粒子，如何在远离地表的地下黑暗环境中悄然重塑物质。
加拿大中微子观测站SNOLAB的物理学家克里斯汀·克劳斯表示：“这项发现利用实验中液体闪烁体内碳-13的天然丰度，测量了一种特定的稀有相互作用。据我们所知，这些结果代表了迄今为止对碳-13原子核中微子相互作用的最低能量观测，并首次直接测量了该特定核反应到生成氮-13原子核基态的截面。”
中微子是浩瀚宇宙中丰度最高的粒子之一。它们形成于高能环境中，如超新星爆发和恒星核心发生的核聚变，因此几乎无处不在。然而，它们不带电荷，质量近乎为零，与遇到的其他粒子几乎不发生相互作用。此刻，数千亿中微子正穿过你的身体，像幽灵一样径直通过——这就是它们被亲切称为“幽灵粒子”的原因。
但偶尔，中微子确实会撞击另一个粒子，这种碰撞会产生极其微弱的光芒和其他粒子簇。然而，在地球表面很难探测到它们，因为宇宙射线和背景辐射会掩盖信号。因此，一些最优秀的中微子探测器位于地下深处，地球地壳本身充当了辐射屏蔽层。在那里，巨大的腔室装有光电探测器，并充满液体闪烁体，可放大稀有中微子相互作用产生的微小信号，在完全寂静的黑暗中绽放光芒。
太阳核心产生的中微子不断穿过地球。它们的能量处于已知范围，这使得它们很容易与大气中微子和天体物理中微子区分——后者能量更高且更罕见。在SNOLAB的SNO+探测器2千米深度处，该能段的几乎所有事件都源自太阳。
英国牛津大学物理学家格列佛·米尔顿领导的团队，分析了2022年5月4日至2023年6月29日的SNO+数据，寻找中微子与闪烁体液中碳-13相互作用的特定信号。当太阳电子中微子撞击碳-13原子核时，原子核吸收中微子并产生电子；弱相互作用还会将碳核内一个中子转化为质子，释放电子。
质子数从6增至7...
231天观测数据中，团队识别出60个候选事件，经统计模型估计有5.6个中微子驱动的碳-氮转化事件，与预期的4.7个接近。米尔顿称：“捕捉该相互作用是非凡成就，尽管碳同位素丰度低，但仍观测到其与太阳核心来的中微子相互作用。”
这一结果令人兴奋：证实理论预测意味着科学方向正确。它还提供了低能中微子-碳反应概率的新测量值，为未来研究设定核物理基准。牛津大学史蒂文·比勒表示：“太阳中微子研究促成2015年诺奖，如今我们能首次用其作为‘测试束’研究稀有原子反应！”该研究发表于《物理评论快报》。
