Neutrinos sondam a estrutura do próton em medições surpreendentes

Seguindo uma sugestão ousada de um pesquisador de pós-doutorado, uma equipe internacional descobriu uma técnica robusta para sondar a estrutura interna do próton usando espalhamento de neutrinos. Teijin Cai da Universidade de Rochester e colegas que trabalham no experimento MINERvA do Fermilab mostraram como as informações sobre o próton podem ser extraídas de neutrinos que foram espalhados pelo alvo de plástico do detector.

Já na década de 1950, os físicos estavam usando feixes de elétrons de alta energia para determinar o tamanho do próton. Ao medir como esses elétrons se espalham dos alvos, os pesquisadores conseguiram sondar a estrutura interior do próton e medir as distribuições de carga de seus quarks constituintes em detalhes.

Em princípio, medições semelhantes também devem ser possíveis usando um feixe de neutrinos, como o feixe gerado no Fermilab. Apesar de ser sem carga e quase sem massa, uma pequena fração de neutrinos em um feixe irá interagir com prótons e se espalhar em ângulos característicos. Se esse espalhamento puder ser medido, ele não apenas complementaria os experimentos de espalhamento de elétrons na sondagem de estruturas de prótons; também pode fornecer novos insights importantes sobre como os neutrinos e os prótons interagem.

Muito difuso

Até agora, os pesquisadores consideraram apenas a possibilidade de disparar feixes de neutrinos em alvos gasosos de hidrogênio. No entanto, os prótons nesses alvos são muito difusos para espalhar neutrinos em números altos o suficiente para obter resultados conclusivos usando as técnicas experimentais existentes.

No novo estudo, a equipe de Cai encontrou uma solução para esse problema quase por acaso. Os físicos estão atualmente usando o experimento MINERvA no Fermilab para estudar neutrinos disparando um feixe de alta energia das partículas em alvos de cintiladores de plástico. Estes são polímeros sólidos e densos que contêm muito hidrogênio e carbono.

Subtraindo carbono

Cai percebeu que os átomos de hidrogênio neste alvo sólido são muito mais densamente compactados do que no gás hidrogênio. Se os neutrinos espalhados por átomos de carbono no detector do MINERvA pudessem ser subtraídos das medições, ele sugeriu que a equipe ficaria com o sinal espalhado por núcleos de hidrogênio.

A intrigante estrutura eletromagnética do próton é observada em novo experimento

Como muito mais neutrinos são espalhados pelo carbono do que pelo hidrogênio, muitos dos colegas de Cai não ficaram convencidos com a proposta. Para testar sua ideia, os pesquisadores subtraíram interações simuladas de neutrino-carbono de nove anos de medições de dispersão de neutrinos no MINERvA. Assim como Cai previu, eles ficaram com dados de dispersão que se assemelhavam muito aos resultados dos experimentos de dispersão de elétrons – indicando claramente que sua técnica funcionou como pretendido.

Com base nesse sucesso inicial, a equipe agora espera que a abordagem possa levar a insights mais profundos sobre a estrutura interna do próton. Isso poderia aproximar os pesquisadores de responder a muitas questões remanescentes sobre a natureza dos neutrinos. Isso inclui a interação indescritível do neutrino com outros tipos de matéria e sua transformação espontânea por meio da oscilação do neutrino.

A pesquisa é descrita em Natureza.

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