นิวตริโนตรวจสอบโครงสร้างของโปรตอนด้วยการวัดที่น่าประหลาดใจ

นิวตริโนตรวจสอบโครงสร้างของโปรตอนด้วยการวัดที่น่าประหลาดใจ

ประทับเวลา: 8 มีนาคม 2023 4:14 น
โหนดต้นทาง: 2011052

โพรบนิวตริโน
หัววัดโปรตอน: การทดลอง MINERvA ที่ Fermilab ใช้เพื่อศึกษาโครงสร้างของโปรตอนโดยใช้นิวตริโน (เอื้อเฟื้อ: Reidar Hahn/Fermilab)

ตามคำแนะนำที่ชัดเจนจากนักวิจัยหลังปริญญาเอก ทีมงานระหว่างประเทศได้ค้นพบเทคนิคที่มีประสิทธิภาพในการตรวจสอบโครงสร้างภายในของโปรตอนโดยใช้การกระเจิงของนิวตริโน เทยิน ไค ที่มหาวิทยาลัยโรเชสเตอร์และเพื่อนร่วมงานที่ทำงานเกี่ยวกับการทดลอง MINERvA ของ Fermilab ได้แสดงให้เห็นว่าข้อมูลเกี่ยวกับโปรตอนสามารถดึงออกมาจากนิวตริโนที่กระจัดกระจายโดยเป้าหมายพลาสติกของเครื่องตรวจจับได้อย่างไร

ช่วงต้นทศวรรษ 1950 นักฟิสิกส์ใช้ลำแสงอิเล็กตรอนพลังงานสูงเพื่อกำหนดขนาดของโปรตอน ด้วยการวัดว่าอิเล็กตรอนเหล่านี้กระเจิงจากเป้าหมายอย่างไร นักวิจัยจึงสามารถสำรวจโครงสร้างภายในของโปรตอนและวัดการกระจายประจุของควาร์กที่เป็นส่วนประกอบโดยละเอียดได้

ตามหลักการแล้ว การวัดที่คล้ายกันควรสามารถทำได้โดยใช้ลำแสงของนิวตริโน เช่น ลำแสงที่สร้างขึ้นที่ Fermilab แม้จะไม่มีประจุและแทบไม่มีมวล แต่เศษเสี้ยวเล็กๆ ของนิวตริโนในลำแสงจะทำปฏิกิริยากับโปรตอนและกระจายออกไปตามมุมที่มีลักษณะเฉพาะ หากสามารถวัดการกระเจิงนี้ได้ จะไม่เพียงแต่ช่วยเสริมการทดลองการกระเจิงของอิเล็กตรอนในโครงสร้างโปรตอนของโพรบเท่านั้น นอกจากนี้ยังอาจให้ข้อมูลเชิงลึกใหม่ที่สำคัญเกี่ยวกับปฏิกิริยาของนิวตริโนและโปรตอน

ฟุ้งซ่านเกินไป

จนถึงตอนนี้ นักวิจัยได้พิจารณาถึงความเป็นไปได้ในการยิงลำแสงนิวตริโนไปยังเป้าหมายที่เป็นก๊าซไฮโดรเจนเท่านั้น อย่างไรก็ตาม โปรตอนในเป้าหมายเหล่านี้มีการแพร่กระจายมากเกินกว่าจะโปรยนิวตริโนในจำนวนที่สูงพอที่จะได้ผลสรุปใดๆ โดยใช้เทคนิคการทดลองที่มีอยู่

ในการศึกษาใหม่ ทีมของ Cai พบวิธีแก้ปัญหานี้โดยบังเอิญ ขณะนี้นักฟิสิกส์กำลังใช้การทดลอง MINERvA ที่ Fermilab เพื่อศึกษานิวตริโนโดยการยิงลำแสงพลังงานสูงของอนุภาคไปยังเป้าหมายที่เป็นประกายไฟพลาสติก เหล่านี้เป็นโพลิเมอร์แข็งหนาแน่นที่มีไฮโดรเจนและคาร์บอนจำนวนมาก

การลบคาร์บอน

Cai ตระหนักว่าอะตอมของไฮโดรเจนในเป้าหมายที่เป็นของแข็งนี้มีความหนาแน่นมากกว่าในก๊าซไฮโดรเจน หากนิวตริโนที่กระจัดกระจายโดยอะตอมของคาร์บอนในเครื่องตรวจจับของ MINERvA สามารถลบออกจากการวัดได้ เขาเสนอว่าทีมจะเหลือสัญญาณที่กระจัดกระจายโดยนิวเคลียสของไฮโดรเจน

เนื่องจากนิวตริโนกระจัดกระจายโดยคาร์บอนมากกว่าไฮโดรเจน เพื่อนร่วมงานของ Cai หลายคนจึงไม่เชื่อมั่นในข้อเสนอนี้ เพื่อทดสอบแนวคิดของเขา นักวิจัยได้ลบปฏิกิริยาระหว่างนิวตริโนและคาร์บอนที่จำลองขึ้นจากการวัดการกระเจิงของนิวตริโนเป็นเวลาเก้าปีที่ MINERvA ตามที่ Cai คาดการณ์ไว้ ข้อมูลเหล่านี้ถูกทิ้งให้อยู่กับข้อมูลการกระเจิงที่ใกล้เคียงกับผลลัพธ์ของการทดลองการกระเจิงของอิเล็กตรอน ซึ่งบ่งชี้อย่างชัดเจนว่าเทคนิคของพวกเขาได้ผลตามที่ตั้งใจไว้

จากความสำเร็จครั้งแรกนี้ ทีมงานหวังว่าวิธีการนี้จะนำไปสู่ข้อมูลเชิงลึกที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้นเกี่ยวกับโครงสร้างภายในของโปรตอน มันอาจทำให้นักวิจัยเข้าใกล้การตอบคำถามที่เหลือมากมายเกี่ยวกับธรรมชาติของนิวตริโนได้ ซึ่งรวมถึงปฏิสัมพันธ์ที่เข้าใจยากของนิวตริโนกับสสารประเภทอื่นๆ และการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นเองผ่านการสั่นของนิวตริโน

งานวิจัยได้อธิบายไว้ใน ธรรมชาติ.

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก โลกฟิสิกส์