Neutrinos undersöker protonens struktur i överraskande mätning

Efter ett djärvt förslag från en postdoc-forskare har ett internationellt team upptäckt en robust teknik för att undersöka protonens inre struktur genom att använda neutrinospridning. Teijin Cai vid University of Rochester och kollegor som arbetar med Fermilabs MINERvA-experiment har visat hur information om protonen kan extraheras från neutriner som har spridits av detektorns plastmål.

Redan på 1950-talet använde fysiker högenergielektronstrålar för att bestämma storleken på protonen. Genom att mäta hur dessa elektroner sprids från mål har forskare sedan dess lyckats undersöka protonens inre struktur och mäta laddningsfördelningarna av deras kvarkar i detalj.

I princip bör liknande mätningar också vara möjliga med hjälp av en stråle av neutriner, såsom strålen som genereras vid Fermilab. Trots att den är laddningsfri och nästan masslös, kommer en liten bråkdel av neutriner i en stråle att interagera med protoner och spridas i karakteristiska vinklar. Om denna spridning kan mätas, skulle den inte bara komplettera elektronspridningsexperiment vid sondering av protonstrukturer; det kan också ge viktiga nya insikter om hur neutriner och protoner interagerar.

Alldeles för diffust

Hittills har forskare bara övervägt möjligheten att skjuta neutrinostrålar mot gasformiga vätemål. Protonerna i dessa mål är dock alldeles för diffusa för att sprida neutriner i tillräckligt högt antal för att få några avgörande resultat med hjälp av befintliga experimentella tekniker.

I den nya studien hittade Cais team en lösning på detta problem nästan av en slump. Fysikerna använder för närvarande MINERvA-experimentet vid Fermilab för att studera neutriner genom att avfyra en högenergistråle av partiklarna mot scintillatormål av plast. Dessa är täta, fasta polymerer som innehåller mycket väte och kol.

Subtrahera kol

Cai insåg att väteatomerna i detta fasta mål är mycket tätare packade än de är i vätgas. Om neutrinon som sprids av kolatomer i MINERvA:s detektor kunde subtraheras från mätningar, föreslog han att laget skulle lämnas med signalen spridd av vätekärnor.

Protons förbryllande elektromagnetiska struktur observeras i ett nytt experiment

Eftersom mycket fler neutriner sprids av kol än väte, var många av Cais kollegor inte övertygade av förslaget. För att testa hans idé subtraherade forskarna simulerade neutrino-kol-interaktioner från nio års mätningar av neutrinospridning vid MINERvA. Precis som Cai förutspådde lämnades de med spridningsdata som nära liknade resultaten av elektronspridningsexperiment - vilket tydligt indikerar att deras teknik hade fungerat som avsett.

Baserat på denna första framgång hoppas teamet nu att tillvägagångssättet kan leda till djupare insikter om protonens inre struktur. Det kan föra forskare ett steg närmare att svara på många återstående frågor kring neutrinernas natur. Detta inkluderar neutrinos svårfångade interaktion med andra typer av materia och deras spontana omvandling genom neutrinoscillation.

Forskningen beskrivs i Natur.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/neutrinos-probe-the-protons-structure-in-surprising-measurement/