I neutrini sondano la struttura del protone con misurazioni sorprendenti

Seguendo l'audace suggerimento di un ricercatore postdoc, un team internazionale ha scoperto una solida tecnica per sondare la struttura interna del protone utilizzando lo scattering di neutrini. Tejin Cai dell'Università di Rochester e colleghi che lavorano all'esperimento MINERvA del Fermilab hanno mostrato come le informazioni sul protone possono essere estratte dai neutrini che sono stati diffusi dal bersaglio plastico del rivelatore.

Già negli anni '1950, i fisici usavano fasci di elettroni ad alta energia per determinare la dimensione del protone. Misurando il modo in cui questi elettroni si disperdono dai bersagli, i ricercatori sono riusciti a sondare la struttura interna del protone e misurare in dettaglio le distribuzioni di carica dei loro quark costituenti.

In linea di principio, misure simili dovrebbero essere possibili anche utilizzando un fascio di neutrini, come quello generato al Fermilab. Nonostante sia privo di carica e quasi privo di massa, una minuscola frazione di neutrini in un raggio interagirà con i protoni e si disperderà ad angoli caratteristici. Se questo scattering può essere misurato, non solo integrerebbe gli esperimenti di scattering di elettroni nel sondare le strutture dei protoni; potrebbe anche fornire nuove importanti informazioni su come interagiscono neutrini e protoni.

Troppo diffuso

Finora, i ricercatori hanno considerato solo la possibilità di sparare fasci di neutrini contro bersagli di idrogeno gassoso. Tuttavia, i protoni in questi bersagli sono troppo diffusi per diffondere i neutrini in quantità sufficientemente elevate da ottenere risultati conclusivi utilizzando le tecniche sperimentali esistenti.

Nel nuovo studio, il team di Cai ha trovato una soluzione a questo problema quasi per caso. I fisici stanno attualmente utilizzando l'esperimento MINERvA al Fermilab per studiare i neutrini sparando un raggio ad alta energia delle particelle nei bersagli dello scintillatore plastico. Questi sono polimeri densi e solidi che contengono molto idrogeno e carbonio.

Sottrazione del carbonio

Cai si è reso conto che gli atomi di idrogeno in questo bersaglio solido sono molto più densamente imballati di quanto non lo siano nell'idrogeno gassoso. Se i neutrini diffusi dagli atomi di carbonio nel rivelatore di MINERvA potessero essere sottratti dalle misurazioni, ha suggerito che il team rimarrebbe con il segnale diffuso dai nuclei di idrogeno.

La sconcertante struttura elettromagnetica del protone viene osservata in un nuovo esperimento

Poiché molti più neutrini sono dispersi dal carbonio che dall'idrogeno, molti dei colleghi di Cai non erano convinti della proposta. Per testare la sua idea, i ricercatori hanno sottratto le interazioni neutrino-carbonio simulate da nove anni di misurazioni della diffusione dei neutrini al MINERvA. Proprio come previsto da Cai, sono rimasti con dati di scattering che assomigliavano molto ai risultati degli esperimenti di scattering di elettroni, indicando chiaramente che la loro tecnica aveva funzionato come previsto.

Sulla base di questo successo iniziale, il team ora spera che l'approccio possa portare a approfondimenti sulla struttura interna del protone. Potrebbe avvicinare i ricercatori alla risposta a molte domande rimanenti sulla natura dei neutrini. Ciò include l'interazione sfuggente del neutrino con altri tipi di materia e la loro trasformazione spontanea attraverso l'oscillazione del neutrino.

La ricerca è descritta in Natura.

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