Neutrinos untersuchen die Struktur des Protons in überraschendem Maß

Nach einem mutigen Vorschlag eines Postdoc-Forschers hat ein internationales Team eine robuste Technik zur Untersuchung der inneren Struktur des Protons mithilfe der Neutrino-Streuung entdeckt. Teijin Cai an der University of Rochester und Kollegen, die am MINERvA-Experiment von Fermilab arbeiten, haben gezeigt, wie Informationen über das Proton aus Neutrinos extrahiert werden können, die vom Plastiktarget des Detektors gestreut wurden.

Bereits in den 1950er Jahren nutzten Physiker hochenergetische Elektronenstrahlen, um die Größe des Protons zu bestimmen. Durch die Messung, wie diese Elektronen von Targets streuen, ist es den Forschern inzwischen gelungen, die innere Struktur des Protons zu untersuchen und die Ladungsverteilungen ihrer Quarks im Detail zu messen.

Prinzipiell sollten ähnliche Messungen auch mit einem Neutrinostrahl, wie er am Fermilab erzeugt wird, möglich sein. Obwohl sie ladungslos und fast masselos sind, interagiert ein winziger Bruchteil der Neutrinos in einem Strahl mit Protonen und streut unter charakteristischen Winkeln. Wenn diese Streuung gemessen werden kann, würde sie nicht nur Elektronenstreuexperimente bei der Untersuchung von Protonenstrukturen ergänzen; es kann auch wichtige neue Erkenntnisse darüber liefern, wie Neutrinos und Protonen interagieren.

Viel zu diffus

Bisher haben Forscher nur die Möglichkeit in Betracht gezogen, Neutrinostrahlen auf gasförmige Wasserstoffziele zu schießen. Die Protonen in diesen Targets sind jedoch viel zu diffus, um Neutrinos in ausreichender Zahl zu streuen, um mit bestehenden experimentellen Techniken schlüssige Ergebnisse zu erzielen.

In der neuen Studie fand Cais Team fast zufällig eine Lösung für dieses Problem. Derzeit nutzen die Physiker das MINERvA-Experiment am Fermilab, um Neutrinos zu untersuchen, indem sie einen hochenergetischen Strahl der Teilchen auf Plastikszintillatortargets abfeuern. Dabei handelt es sich um dichte, feste Polymere, die viel Wasserstoff und Kohlenstoff enthalten.

Kohlenstoff abziehen

Cai erkannte, dass die Wasserstoffatome in diesem festen Target viel dichter gepackt sind als in Wasserstoffgas. Wenn die von Kohlenstoffatomen im Detektor von MINERvA gestreuten Neutrinos von den Messungen abgezogen werden könnten, schlug er vor, dass das Team mit dem von Wasserstoffkernen gestreuten Signal zurückbleiben würde.

Die rätselhafte elektromagnetische Struktur von Protonen wird in einem neuen Experiment beobachtet

Da an Kohlenstoff weitaus mehr Neutrinos gestreut werden als an Wasserstoff, waren viele von Cais Kollegen von dem Vorschlag nicht überzeugt. Um seine Idee zu testen, subtrahierten die Forscher simulierte Neutrino-Kohlenstoff-Wechselwirkungen aus neun Jahren Messungen der Neutrinostreuung am MINERvA. Genau wie Cai vorhergesagt hatte, blieben ihnen Streudaten zurück, die den Ergebnissen von Elektronenstreuexperimenten sehr ähnelten – ein klarer Hinweis darauf, dass ihre Technik wie beabsichtigt funktioniert hatte.

Basierend auf diesem ersten Erfolg hofft das Team nun, dass der Ansatz zu tieferen Einblicken in die innere Struktur des Protons führen könnte. Es könnte die Forscher der Beantwortung vieler verbleibender Fragen rund um die Natur von Neutrinos einen Schritt näher bringen. Dazu gehören die schwer fassbare Wechselwirkung von Neutrinos mit anderen Arten von Materie und ihre spontane Umwandlung durch Neutrinooszillationen.

Die Forschung ist beschrieben in Natur.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/neutrinos-probe-the-protons-structure-in-surprising-measurement/