Neutrinoer undersøger protonens struktur i overraskende måling

Efter et modigt forslag fra en postdoc-forsker har et internationalt hold opdaget en robust teknik til at sondere protonens indre struktur ved at bruge neutrino-spredning. Teijin Cai ved University of Rochester og kolleger, der arbejder på Fermilabs MINERvA-eksperiment, har vist, hvordan information om protonen kan udvindes fra neutrinoer, der er blevet spredt af detektorens plastikmål.

Så tidligt som i 1950'erne brugte fysikere højenergielektronstråler til at bestemme protonens størrelse. Ved at måle, hvordan disse elektroner spredes fra mål, har forskere siden formået at sondere protonens indre struktur og måle ladningsfordelingen af ​​deres kvarker i detaljer.

I princippet bør lignende målinger også være mulige ved brug af en stråle af neutrinoer, såsom strålen genereret ved Fermilab. På trods af at den er ladningsløs og næsten masseløs, vil en lille brøkdel af neutrinoer i en stråle interagere med protoner og spredes i karakteristiske vinkler. Hvis denne spredning kan måles, ville den ikke kun komplementere elektronspredningseksperimenter med at sondere protonstrukturer; det kan også give vigtig ny indsigt i, hvordan neutrinoer og protoner interagerer.

Alt for diffust

Hidtil har forskere kun overvejet muligheden for at affyre neutrinostråler mod gasformige brintmål. Imidlertid er protonerne i disse mål alt for diffuse til at sprede neutrinoer i højt nok antal til at opnå afgørende resultater ved hjælp af eksisterende eksperimentelle teknikker.

I den nye undersøgelse fandt Cais team næsten ved et uheld en løsning på dette problem. Fysikerne bruger i øjeblikket MINERvA-eksperimentet på Fermilab til at studere neutrinoer ved at affyre en højenergistråle af partiklerne ind i plastiske scintillatormål. Disse er tætte, faste polymerer, der indeholder masser af brint og kulstof.

At trække kulstof fra

Cai indså, at brintatomerne i dette faste mål er langt tættere pakket, end de er i brintgas. Hvis neutrinoerne spredt af kulstofatomer i MINERvA's detektor kunne trækkes fra målinger, foreslog han, at holdet ville stå tilbage med signalet spredt af brintkerner.

Protons forvirrende elektromagnetiske struktur observeres i et nyt eksperiment

Da langt flere neutrinoer er spredt af kulstof end brint, var mange af Cais kolleger ikke overbevist af forslaget. For at teste hans idé trak forskerne simulerede neutrino-carbon-interaktioner fra ni års målinger af neutrino-spredning ved MINERvA. Ligesom Cai forudsagde, stod de tilbage med spredningsdata, der lignede resultaterne af elektronspredningsforsøg - hvilket klart indikerer, at deres teknik havde fungeret efter hensigten.

Baseret på denne indledende succes håber holdet nu, at tilgangen kan føre til dybere indsigt i protonens indre struktur. Det kunne bringe forskerne et skridt tættere på at besvare mange resterende spørgsmål omkring neutrinoers natur. Dette inkluderer neutrinos undvigende interaktion med andre typer stof og deres spontane transformation gennem neutrino-oscillation.

Forskningen er beskrevet i Natur.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
• Platoblokkæde. Web3 Metaverse Intelligence. Viden forstærket. Adgang her.
• Kilde: https://physicsworld.com/a/neutrinos-probe-the-protons-structure-in-surprising-measurement/