Los neutrinos sondean la estructura del protón en una medida sorprendente

Los neutrinos sondean la estructura del protón en una medida sorprendente

Marca de tiempo: 8 de marzo de 2023 4:14 a. M.
Nodo de origen: 2011052

sonda de neutrinos
Sonda de protones: el experimento MINERvA del Fermilab se ha utilizado para estudiar la estructura del protón utilizando neutrinos. (Cortesía: Reidar Hahn/Fermilab)

Siguiendo una sugerencia audaz de un investigador postdoctoral, un equipo internacional ha descubierto una técnica robusta para sondear la estructura interna del protón mediante el uso de la dispersión de neutrinos. Cai Teijin en la Universidad de Rochester y sus colegas que trabajan en el experimento MINERvA de Fermilab han demostrado cómo se puede extraer información sobre el protón de los neutrinos que han sido dispersados ​​por el objetivo de plástico del detector.

Ya en la década de 1950, los físicos usaban haces de electrones de alta energía para determinar el tamaño del protón. Al medir cómo estos electrones se dispersan de los objetivos, los investigadores han logrado sondear la estructura interior del protón y medir en detalle las distribuciones de carga de sus quarks constituyentes.

En principio, también deberían ser posibles mediciones similares utilizando un haz de neutrinos, como el haz generado en Fermilab. A pesar de no tener carga y casi no tener masa, una pequeña fracción de neutrinos en un haz interactuará con los protones y se dispersará en ángulos característicos. Si esta dispersión se puede medir, no solo complementaría los experimentos de dispersión de electrones en el sondeo de estructuras de protones; también puede proporcionar nuevos conocimientos importantes sobre cómo interactúan los neutrinos y los protones.

Demasiado difuso

Hasta ahora, los investigadores solo han considerado la posibilidad de disparar haces de neutrinos a objetivos de hidrógeno gaseoso. Sin embargo, los protones en estos objetivos son demasiado difusos para dispersar neutrinos en cantidades lo suficientemente altas como para obtener resultados concluyentes utilizando las técnicas experimentales existentes.

En el nuevo estudio, el equipo de Cai encontró una solución a este problema casi por accidente. Los físicos están utilizando actualmente el experimento MINERvA en Fermilab para estudiar neutrinos disparando un haz de partículas de alta energía en objetivos de centelleo de plástico. Estos son polímeros sólidos y densos que contienen mucho hidrógeno y carbono.

Restar carbono

Cai se dio cuenta de que los átomos de hidrógeno en este objetivo sólido están mucho más densamente empaquetados que en el hidrógeno gaseoso. Si los neutrinos dispersados ​​por átomos de carbono en el detector de MINERvA pudieran sustraerse de las mediciones, sugirió que el equipo se quedaría con la señal dispersada por núcleos de hidrógeno.

Dado que el carbono dispersa muchos más neutrinos que el hidrógeno, la propuesta no convenció a muchos de los colegas de Cai. Para probar su idea, los investigadores restaron interacciones neutrinos-carbono simuladas de nueve años de mediciones de dispersión de neutrinos en MINERvA. Tal como predijo Cai, se quedaron con datos de dispersión que se parecían mucho a los resultados de los experimentos de dispersión de electrones, lo que indica claramente que su técnica había funcionado según lo previsto.

Basado en este éxito inicial, el equipo ahora espera que el enfoque pueda conducir a una visión más profunda de la estructura interior del protón. Podría llevar a los investigadores un paso más cerca de responder muchas preguntas restantes sobre la naturaleza de los neutrinos. Esto incluye la esquiva interacción de los neutrinos con otros tipos de materia y su transformación espontánea a través de la oscilación de los neutrinos.

La investigación se describe en Naturaleza.

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