นิวตริโนที่เกิดจากวัฏจักรคาร์บอน-ไนโตรเจน-ออกซิเจน (CNO) ที่เข้าใจยากในดวงอาทิตย์ได้รับการสังเกตเป็นครั้งแรก ซึ่งเป็นการยืนยันทฤษฎีที่เสนอครั้งแรกเมื่อกว่า 80 ปีที่แล้ว การสังเกตการณ์นี้จัดทำโดยนักฟิสิกส์ที่ทำงานเกี่ยวกับ เครื่องตรวจจับ Borexino ของอิตาลี และให้ข้อมูลเชิงลึกที่สำคัญเกี่ยวกับวิธีการที่ดาวมีพลังงานในตัวมันเองโดยการแปลงไฮโดรเจนเป็นฮีเลียม
เมื่อตรวจพบนิวตริโน CNO แล้ว การศึกษาในอนาคต
สามารถช่วยไขปริศนาที่อยู่รอบ “ความเป็นโลหะ” ของดวงอาทิตย์ ซึ่งเป็นปริมาณคาร์บอน ไนโตรเจน และออกซิเจนในดาวฤกษ์ นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์เชื่อว่าดาวฤกษ์แปลงไฮโดรเจนเป็นฮีเลียมผ่านกระบวนการนิวเคลียร์ฟิวชันสองขั้นตอน หนึ่งเรียกว่าห่วงโซ่ pp และคิดเป็น 99% ของพลังงานฟิวชั่นในดวงอาทิตย์ มันเกี่ยวข้องกับโปรตอนคู่หนึ่งที่หลอมรวมเพื่อสร้างดิวเทอเรียม ซึ่งจากนั้นหลอมรวมกับโปรตอนตัวที่สามเพื่อสร้างฮีเลียม-3 ในที่สุด นิวเคลียสฮีเลียม-3 สองตัวหลอมรวมเพื่อสร้างฮีเลียม-4 มีสายโซ่ pp อีกสองสาขาที่ผลิตฮีเลียม-4 ผ่านการผลิตลิเธียม เบริลเลียม และโบรอนเป็นสื่อกลาง
กระบวนการที่สองคือวงจร CNO ซึ่งเสนออย่างอิสระในปี 1938 โดย Hans Bethe และ Carl Friedrich von Weizsacker เชื่อกันว่าคิดเป็นประมาณ 1% ของพลังงานฟิวชันในดาวฤกษ์ขนาดเท่าดวงอาทิตย์ แต่คิดว่าจะมีอิทธิพลเหนือการส่งออกพลังงานของดาวฤกษ์ที่มีขนาดใหญ่กว่า วัฏจักรนี้ขับเคลื่อนโดยการหลอมรวมของโปรตอนกับนิวเคลียสคาร์บอน ไนโตรเจน และออกซิเจนในกระบวนการหกขั้นตอนที่สร้างนิวเคลียสฮีเลียม-4 หนึ่งนิวเคลียสก่อนที่จะเกิดซ้ำ
ทั้งกระบวนการ pp และ CNO เกี่ยวข้องกับการปล่อยสเปกตรัมที่ชัดเจนของนิวตริโนสุริยะ ในปี 2018 ความร่วมมือของ Borexino ได้ทำการตรวจวัดนิวตริโนสุริยะที่ผลิตโดยห่วงโซ่ ppอย่างครอบคลุม
ความท้าทายในการตรวจจับ ตอนนี้นักฟิสิกส์
ที่ทำงานเกี่ยวกับเครื่องตรวจจับได้วัดสัญญาณนิวตริโนที่อ่อนแอกว่ามากจากวงจร CNO ในการทำเช่นนั้น นักฟิสิกส์ต้องเอาชนะความท้าทายในการตรวจจับที่เกิดจากพลังงานที่ค่อนข้างต่ำและฟลักซ์ของนิวตริโน CNO
Borexino ประกอบด้วยสารเรืองแสงวาบชนิดของเหลวบริสุทธิ์พิเศษ 278 ตัน และตรวจจับนิวตริโนสุริยะเมื่อชนกับอิเล็กตรอนในตัวเรืองแสงวาบ เมื่ออิเล็กตรอนหดตัว มันจะผลิตแสง ซึ่งถูกจับโดยอาร์เรย์ของหลอดโฟโตมัลติเพลเยอร์ แม้จะมีฟลักซ์ของนิวตริโนสุริยะจำนวนมากที่ไหลผ่านโบเรซิโน แต่การชนมักไม่ค่อยเกิดขึ้น และตรวจพบนิวตริโนเพียงสิบเท่านั้นทุกวัน เป็นผลให้เครื่องตรวจจับตั้งอยู่ลึกใต้ภูเขา Gran Sasso เพื่อป้องกันรังสีคอสมิกซึ่งจะครอบงำสัญญาณนิวทริโนอย่างสมบูรณ์ นอกจากนี้ สารเรืองแสงวาบยังมีสารกัมมันตภาพรังสีในระดับต่ำมาก ซึ่งมีส่วนทำให้เกิดสัญญาณพื้นหลังด้วย
ข้อมูลในการศึกษานี้ได้มาระหว่างการทดลอง Borexino ระยะที่ 3 ซึ่งใช้เวลามากกว่า 1,000 ชั่วโมงในเดือนกรกฎาคม 2559–กุมภาพันธ์ 2563 เนื่องจากสัญญาณ CNO อ่อนมาก นักวิจัยจึงต้องคำนึงถึงภูมิหลังจากสิ่งเจือปนระดับต่ำสองรายการ – บิสมัท-210 และคาร์บอน-11 – ที่สามารถเลียนแบบสัญญาณที่คาดหวังจากนิวตริโน CNO ทีมงานยังต้องพิจารณาถึงนิวตริโนที่สร้างขึ้นโดยกระบวนการโปรตอน-อิเล็กตรอน-โปรตอนในดวงอาทิตย์ ซึ่งสามารถเข้าใจผิดได้ว่าเป็นนิวตริโน CNO
ลักษณะความเพียรทีมงานสามารถตรวจจับนิวตริโนจากกระบวนการ CNO ที่มีนัยสำคัญทางสถิติที่5.1σ ซึ่งสูงกว่าระดับ5σ ซึ่งถือเป็นการค้นพบในฟิสิกส์ของอนุภาคด้วยการใช้ลักษณะเฉพาะของสัญญาณพื้นหลังเหล่านี้อย่างระมัดระวัง นอกจากการยืนยันแนวคิดที่มีมาช้านานของ Bethe และ von Weizsacker แล้ว การวัดนี้ยังสนับสนุนความเชื่อในปัจจุบันที่ว่าประมาณ 1% ของพลังงานฟิวชัน
แสงอาทิตย์ถูกสร้างขึ้นโดยวัฏจักร CNO
นิวตริโนส่องแสงใหม่บนปฏิกิริยาฟิวชันในดวงอาทิตย์แม้ว่าผลลัพธ์จะเป็นตัววัดปริมาณคาร์บอน ไนโตรเจน และออกซิเจนในดวงอาทิตย์ แต่ก็ยังไม่แม่นยำพอที่จะไข “ปริศนาความเป็นโลหะ” ของดวงอาทิตย์ได้ ความลึกลับนี้เพิ่งเกิดขึ้นเมื่อการวัดความทึบของดวงอาทิตย์ด้วยสเปกโตรกราฟีและการวัดความเร็วของเสียงในดวงอาทิตย์โดยวิธี helioseismological ชี้ให้เห็นถึงค่าความเป็นโลหะที่ขัดแย้งกัน หลังจากความสำเร็จของ Borexino การปรับปรุงเครื่องตรวจจับนิวตริโนในอนาคตสามารถไขปริศนานี้ได้
ผลลัพธ์ยังเป็นการยืนยันที่สำคัญว่าวัฏจักร CNO ควรครอบงำการหลอมรวมภายในดาวฤกษ์ที่มีขนาดใหญ่กว่าดวงอาทิตย์อย่างไร
นักวิจัยในสหรัฐอเมริกาและอิสราเอลได้พัฒนาวิธีการสร้างโครงสร้างนาโนตัวนำยิ่งยวด 3 มิติ โดยการรวม DNA เข้ากับไนโอเบียมและซิลิคอน เทคนิคใหม่นี้อาจใช้เพื่อสร้างเครื่องขยายสัญญาณที่ช่วยเพิ่มความเร็วและความแม่นยำของคอมพิวเตอร์ควอนตัม ตลอดจนเซ็นเซอร์สนามแม่เหล็กที่ไวต่อแสงสูงสำหรับการใช้งานทางการแพทย์และธรณีฟิสิกส์
ในขณะที่เทคนิคการผลิตนาโนแบบดั้งเดิม เช่น การพิมพ์หินด้วยลำแสงอิเล็กตรอนสามารถผลิตโครงสร้างนาโนที่มีตัวนำยิ่งยวดแบบหนึ่งมิติและสองมิติ ความสามารถในการผลิตโครงสร้างสามมิตินั้นมีจำกัด ในช่วง 15 ปีที่ผ่านมานักวิจัยได้หันไปใช้เทคนิคการประกอบตัวเองซึ่งใช้ DNA เพื่อสร้างโครงสร้างระดับนาโน 3 มิติและรวมเข้ากับส่วนประกอบนาโนอนินทรีย์ที่ใช้งานได้
เทคนิคหนึ่งที่เรียกว่า “DNA origami” ใช้การจับคู่นิวคลีโอไทด์เบสทั้งสี่ของ DNA อย่างเป็นธรรมชาติ – A, T, C และ G เพื่อสร้างรูปทรงทางวิศวกรรมที่ประกอบขึ้นเองจำนวนมาก กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับการพับดีเอ็นเอสายเดี่ยวที่ยาวด้วยความช่วยเหลือของสายเสริมที่สั้นกว่าในตำแหน่งเฉพาะเพื่อสร้างโครงสร้างระดับนาโนที่กำหนดไว้ล่วงหน้า โครงสร้างนาโนเหล่านี้สามารถใช้เป็นโครงนั่งร้านสำหรับสร้างสถาปัตยกรรมระดับนาโน 3 มิติที่สามารถ “แปลง” เป็นวัสดุอนินทรีย์เช่นตัวนำยิ่งยวดเช่นเดียวกับในผลงานใหม่นี้ซึ่งนำโดยOleg Gangวิศวกรระดับนาโนจากมหาวิทยาลัยโคลัมเบียและศูนย์ห้องปฏิบัติการแห่งชาติบรูคฮาเวน สำหรับวัสดุนาโนที่ใช้งานได้
ในการทดลอง Gang และเพื่อนร่วมงานที่ Columbia ได้ออกแบบ “เฟรม” DNA origami รูปทรงแปดด้านโดยใช้ชุดซอฟต์แวร์คอมพิวเตอร์ที่เรียกว่า caDNAno แต่ละขอบภายในเฟรมประกอบด้วยกลุ่ม DNA หกเกลียวที่มีความยาว 28.6 นาโนเมตร และมี 84 คู่เบส ที่ปลายแต่ละด้านของกลุ่มเหล่านี้ นักวิจัยได้เพิ่มสายโซ่ DNA แบบสายเดี่ยวที่วัดความยาวได้ประมาณ 2 นาโนเมตร และได้รับการออกแบบมาเพื่อเสริมสาย DNA ของ DNA origami ที่เป็นปฏิปักษ์
Credit : brewguitarduo.com buckeyecountry.net buickturboperformance.com bushpain.com capemadefieldguide.org
