中微子探测质子结构的惊人测量

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根据一位博士后研究员的大胆建议，一个国际团队发现了一种利用中微子散射探测质子内部结构的可靠技术。蔡帝进在罗切斯特大学和费米实验室 MINERvA 实验的同事们展示了如何从被探测器的塑料目标散射的中微子中提取有关质子的信息。

早在 1950 年代，物理学家就使用高能电子束来确定质子的大小。通过测量这些电子如何从目标散射，研究人员已经设法探测质子的内部结构并详细测量其组成夸克的电荷分布。

原则上，使用中微子束也应该可以进行类似的测量，例如在费米实验室产生的束。尽管不带电荷且几乎没有质量，但光束中的一小部分中微子会与质子相互作用，并以特征角度散射。如果可以测量这种散射，它不仅可以补充探测质子结构中的电子散射实验；它还可能为中微子和质子如何相互作用提供重要的新见解。

到目前为止，研究人员只考虑了将中微子束射入气态氢目标的可能性。然而，这些目标中的质子过于分散，无法散射足够多的中微子，无法使用现有的实验技术获得任何结论性的结果。

在这项新研究中，蔡的团队几乎偶然地找到了这个问题的解决方案。物理学家目前正在费米实验室使用 MINERvA 实验，通过向塑料闪烁体目标发射高能粒子束来研究中微子。它们是致密的固体聚合物，含有大量氢和碳。

蔡意识到这个固体靶中的氢原子比氢气中的氢原子密集得多。如果可以从测量值中减去 MINERvA 探测器中被碳原子散射的中微子，他建议该团队将留下被氢原子核散射的信号。

由于碳散射的中微子比氢散射的中微子多得多，蔡的许多同事并不相信这个提议。为了验证他的想法，研究人员从 MINERvA 九年来的中微子散射测量中减去了模拟的中微子-碳相互作用。正如蔡预测的那样，他们得到的散射数据与电子散射实验的结果非常相似——清楚地表明他们的技术已经达到预期效果。

基于这一初步成功，该团队现在希望这种方法能够更深入地了解质子的内部结构。它可以让研究人员更进一步地回答围绕中微子性质的许多遗留问题。这包括中微子与其他类型物质难以捉摸的相互作用以及它们通过中微子振荡自发转变。

该研究描述于自然.

时间戳记： 2023 年 11 月 17 日

中微子以惊人的测量探测质子的结构