Les neutrinos sondent la structure du proton dans une mesure surprenante

Suite à une suggestion audacieuse d'un chercheur postdoctoral, une équipe internationale a découvert une technique robuste pour sonder la structure interne du proton en utilisant la diffusion des neutrinos. Teijin Cai de l'Université de Rochester et ses collègues travaillant sur l'expérience MINERvA du laboratoire Fermi ont montré comment des informations sur le proton peuvent être extraites des neutrinos qui ont été diffusés par la cible en plastique du détecteur.

Dès les années 1950, les physiciens utilisaient des faisceaux d'électrons de haute énergie pour déterminer la taille du proton. En mesurant comment ces électrons se dispersent à partir de cibles, les chercheurs ont depuis réussi à sonder la structure interne du proton et à mesurer en détail les distributions de charge de leurs quarks constitutifs.

En principe, des mesures similaires devraient également être possibles à l'aide d'un faisceau de neutrinos, tel que le faisceau généré au Laboratoire Fermi. Bien qu'elle soit sans charge et presque sans masse, une infime fraction de neutrinos dans un faisceau interagira avec les protons et se dispersera à des angles caractéristiques. Si cette diffusion pouvait être mesurée, elle ne compléterait pas seulement les expériences de diffusion d'électrons dans le sondage des structures de protons ; il peut également fournir de nouvelles informations importantes sur la manière dont les neutrinos et les protons interagissent.

Beaucoup trop diffus

Jusqu'à présent, les chercheurs n'ont envisagé que la possibilité de tirer des faisceaux de neutrinos sur des cibles d'hydrogène gazeux. Cependant, les protons de ces cibles sont beaucoup trop diffus pour diffuser des neutrinos en nombre suffisamment élevé pour obtenir des résultats concluants en utilisant les techniques expérimentales existantes.

Dans la nouvelle étude, l'équipe de Cai a trouvé une solution à ce problème presque par accident. Les physiciens utilisent actuellement l'expérience MINERvA au Laboratoire Fermi pour étudier les neutrinos en envoyant un faisceau de particules à haute énergie dans des cibles de scintillateur en plastique. Ce sont des polymères denses et solides qui contiennent beaucoup d'hydrogène et de carbone.

Soustraire le carbone

Cai s'est rendu compte que les atomes d'hydrogène dans cette cible solide sont beaucoup plus denses qu'ils ne le sont dans l'hydrogène gazeux. Si les neutrinos diffusés par les atomes de carbone dans le détecteur de MINERvA pouvaient être soustraits des mesures, il a suggéré que l'équipe se retrouverait avec le signal diffusé par les noyaux d'hydrogène.

La structure électromagnétique déroutante de Proton est observée dans une nouvelle expérience

Étant donné que beaucoup plus de neutrinos sont diffusés par le carbone que par l'hydrogène, de nombreux collègues de Cai n'ont pas été convaincus par la proposition. Pour tester son idée, les chercheurs ont soustrait les interactions neutrinos-carbone simulées de neuf années de mesures de la diffusion des neutrinos à MINERvA. Tout comme Cai l'avait prédit, ils se sont retrouvés avec des données de diffusion qui ressemblaient étroitement aux résultats des expériences de diffusion d'électrons - indiquant clairement que leur technique avait fonctionné comme prévu.

Sur la base de ce succès initial, l'équipe espère maintenant que l'approche pourra conduire à des connaissances plus approfondies sur la structure interne du proton. Cela pourrait rapprocher les chercheurs de la réponse à de nombreuses questions restantes concernant la nature des neutrinos. Cela comprend l'interaction insaisissable des neutrinos avec d'autres types de matière et leur transformation spontanée par l'oscillation des neutrinos.

La recherche est décrite dans Nature.

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