Nøytrinoer undersøker protonets struktur i overraskende måling

Nøytrinoer undersøker protonets struktur i overraskende måling

Tidsstempel: 8. mars 2023 4:14
Kilde node: 2011052

Nøytrino-sonde
Protonsonde: MINERvA-eksperimentet ved Fermilab har blitt brukt til å studere strukturen til protonet ved hjelp av nøytrinoer. (Med tillatelse: Reidar Hahn/Fermilab)

Etter et dristig forslag fra en postdoc-forsker, har et internasjonalt team oppdaget en robust teknikk for å undersøke den indre strukturen til protonet ved å bruke nøytrinospredning. Teijin Cai ved University of Rochester og kolleger som jobber med Fermilabs MINERvA-eksperiment har vist hvordan informasjon om protonet kan utvinnes fra nøytrinoer som har blitt spredt av detektorens plastmål.

Så tidlig som på 1950-tallet brukte fysikere høyenergielektronstråler for å bestemme størrelsen på protonet. Ved å måle hvordan disse elektronene spres fra mål, har forskere siden klart å undersøke den indre strukturen til protonet og måle ladningsfordelingen til kvarkene deres i detalj.

I prinsippet bør lignende målinger også være mulig ved bruk av en stråle av nøytrinoer, slik som strålen generert ved Fermilab. Til tross for at den er ladningsløs og nesten masseløs, vil en liten brøkdel av nøytrinoer i en stråle samhandle med protoner, og spre seg i karakteristiske vinkler. Hvis denne spredningen kan måles, ville den ikke bare komplementere elektronspredningseksperimenter for å undersøke protonstrukturer; det kan også gi viktig ny innsikt i hvordan nøytrinoer og protoner samhandler.

Alt for diffust

Foreløpig har forskere kun vurdert muligheten for å skyte nøytrinostråler inn i gassformige hydrogenmål. Imidlertid er protonene i disse målene altfor diffuse til å spre nøytrinoer i høyt nok antall til å få noen avgjørende resultater ved bruk av eksisterende eksperimentelle teknikker.

I den nye studien fant Cais team en løsning på dette problemet nesten ved et uhell. Fysikerne bruker for tiden MINERvA-eksperimentet ved Fermilab for å studere nøytrinoer ved å skyte en høyenergistråle av partiklene inn i plastscintillatormål. Dette er tette, solide polymerer som inneholder mye hydrogen og karbon.

Å trekke fra karbon

Cai innså at hydrogenatomene i dette faste målet er mye tettere pakket enn de er i hydrogengass. Hvis nøytrinoene spredt av karbonatomer i MINERvAs detektor kunne trekkes fra målinger, foreslo han at teamet ville sitte igjen med signalet spredt av hydrogenkjerner.

Siden langt flere nøytrinoer er spredt av karbon enn hydrogen, ble mange av Cais kolleger ikke overbevist av forslaget. For å teste ideen hans trakk forskerne simulerte nøytrino-karbon-interaksjoner fra ni år med målinger av nøytrinospredning ved MINERvA. Akkurat som Cai spådde, satt de igjen med spredningsdata som liknet resultatene av elektronspredningseksperimenter - noe som tydelig indikerer at teknikken deres hadde fungert etter hensikten.

Basert på denne første suksessen, håper teamet nå at tilnærmingen kan føre til dypere innsikt i protonets indre struktur. Det kan bringe forskere et skritt nærmere å svare på mange gjenværende spørsmål rundt nøytrinoenes natur. Dette inkluderer nøytrinos unnvikende interaksjon med andre typer materie og deres spontane transformasjon gjennom nøytrinoscillasjon.

Forskningen er beskrevet i Natur.

Tidstempel:

Mer fra Fysikkens verden