[ad_1]
Ученые открыли новый способ исследования структуры протонов с помощью нейтрино, известных как «частицы-призраки».
Нейтрино — одна из самых распространенных частиц в нашей Вселенной, но их, как известно, трудно обнаружить и изучить: они не имеют электрического заряда и почти не имеют массы.
Их часто называют «частицами-призраками», потому что они редко взаимодействуют с атомами.
Но поскольку их так много, они играют большую роль, помогая ученым ответить на фундаментальные вопросы о Вселенной.
В новаторском исследовании, описанном в журнале Nature под руководством исследователей из Университета Рочестера, ученые из международного сотрудничества MINERvA впервые использовали пучок нейтрино в Национальной ускорительной лаборатории Ферми, или Fermilab, для изучения структуры протонов. .
MINERvA — это эксперимент по изучению нейтрино, и исследователи не ставили своей целью изучение протонов. Но их подвиг, который когда-то считался невозможным, предлагает ученым новый взгляд на мелкие компоненты ядра атома.
«Пока мы изучали нейтрино в рамках эксперимента MINERvA, я понял, что метод, который я использовал, может быть применен для исследования протонов», — говорит Теджин Кай, первый автор статьи.
Цай, который в настоящее время является научным сотрудником с докторской степенью в Йоркском университете, проводил исследование в качестве аспиранта Кевина МакФарланда, профессора физики доктора Стивена Чу в Рочестере и ключевого члена группы нейтрино университета.
«Сначала мы не были уверены, сработает ли это, но в конце концов обнаружили, что можем использовать нейтрино для измерения размера и формы протонов, составляющих ядра атомов. Это все равно, что использовать призрачную линейку для измерения».
Использование пучков частиц для измерения протонов
Атомы, а также протоны и нейтроны, из которых состоит атомное ядро, настолько малы, что исследователям трудно измерить их напрямую.
Вместо этого они строят картину формы и структуры компонентов атома, бомбардируя атомы пучком высокоэнергетических частиц. Затем они измеряют, как далеко и под какими углами частицы отскакивают от компонентов атома.
Представьте, например, что вы бросаете шарики в коробку. Шарики отскакивали от коробки под определенным углом, что позволяло вам определить, где находится коробка, а также определить ее размер и форму, даже если коробка была вам не видна.
«Это очень косвенный способ измерения чего-либо, но он позволяет нам связать структуру объекта — в данном случае протона — с тем, сколько отклонений мы видим под разными углами», — говорит МакФарланд.
Что могут рассказать нам пучки нейтрино?
Исследователи впервые измерили размер протонов в 1950-х годах, используя ускоритель с пучками электронов в линейном ускорителе Стэнфордского университета.
Но вместо использования пучков ускоренных электронов в новом методе, разработанном Каем, МакФарландом и их коллегами, используются пучки нейтрино.
Хотя новый метод не дает более четкого изображения, чем старый, по словам Макфарланда, он может дать ученым новую информацию о том, как взаимодействуют нейтрино и протоны — информацию, которую они в настоящее время могут получить только с помощью теоретических расчетов или комбинации теории и других измерений.
Сравнивая новую технику со старой, Макфарланд уподобляет процесс наблюдению за цветком в обычном видимом свете, а затем рассмотрению цветка в ультрафиолетовом свете.
«Вы смотрите на один и тот же цветок, но видите разные структуры при разном освещении», — говорит МакФарланд. «Наше изображение не является более точным, но измерение нейтрино дает нам другое представление».
В частности, они надеются использовать эту технику для отделения эффектов, связанных с рассеянием нейтрино на протонах, от эффектов, связанных с рассеянием нейтрино на атомных ядрах, которые представляют собой связанные наборы протонов и нейтронов.
«Все наши предыдущие методы предсказания рассеяния нейтрино от протонов использовали теоретические расчеты, но этот результат напрямую измеряет это рассеяние», — говорит Кай.
Макфарланд добавляет: «Используя наши новые измерения для улучшения нашего понимания этих ядерных эффектов, мы сможем лучше проводить будущие измерения свойств нейтрино».
Техническая проблема экспериментов с нейтрино
Нейтрино образуются, когда атомные ядра либо сходятся, либо распадаются. Солнце является крупным источником нейтрино, которые являются побочным продуктом солнечного ядерного синтеза. Например, если вы стоите на солнце, триллионы нейтрино будут безвредно проходить через ваше тело каждую секунду.
Несмотря на то, что нейтрино во Вселенной больше, чем электронов, ученым труднее экспериментально использовать их в больших количествах: нейтрино проходят сквозь материю, как призраки, тогда как электроны гораздо чаще взаимодействуют с материей.
«В течение года в среднем будет происходить взаимодействие между одним или двумя нейтрино из триллионов, которые проходят через ваше тело каждую секунду», — говорит Цай. «В наших экспериментах есть огромная техническая проблема, заключающаяся в том, что нам нужно получить достаточное количество протонов, чтобы на них можно было смотреть, и мы должны выяснить, как получить достаточное количество нейтрино через это большое скопление протонов».
Использование нейтринного детектора
Исследователи частично решили эту проблему, используя детектор нейтрино, содержащий мишень из атомов водорода и углерода. Обычно исследователи используют только атомы водорода в экспериментах по измерению протонов.
Водород не только самый распространенный элемент во Вселенной, но и самый простой, поскольку атом водорода содержит только один протон и один электрон. Но мишень из чистого водорода не будет достаточно плотной, чтобы достаточное количество нейтрино могло взаимодействовать с атомами.
«Мы проделываем, так сказать, «химический трюк», связывая водород в молекулы углеводорода, что позволяет ему обнаруживать субатомные частицы», — говорит МакФарланд.
Группа MINERvA провела свои эксперименты с использованием мощного ускорителя частиц высокой энергии, расположенного в Фермилабе. Ускоритель производит сильнейший источник нейтрино высоких энергий на планете.
Исследователи поразили свой детектор из атомов водорода и углерода пучком нейтрино и записали данные почти за девять лет работы.
Чтобы изолировать информацию только от атомов водорода, исследователям пришлось вычесть фоновый «шум» от атомов углерода.
«Водород и углерод химически связаны друг с другом, поэтому детектор обнаруживает взаимодействие обоих сразу», — говорит Кай. «Я понял, что метод, который я использовал для изучения взаимодействий на углероде, также может быть использован для наблюдения за водородом сам по себе, если вычесть взаимодействия с углеродом. Большая часть нашей работы заключалась в том, чтобы вычесть очень большой фон из нейтрино, рассеянного на протонах в ядре углерода».
Говорит Дебора Харрис, профессор Йоркского университета и соавтор MINERvA: «Когда мы предлагали MINERvA, мы никогда не думали, что сможем извлекать измерения из водорода в детекторе. Выполнение этой работы потребовало от детектора высокой производительности, творческого анализа ученых и многих лет эксплуатации ускорителя в Фермилабе.
Невозможное становится возможным
МакФарланд тоже изначально думал, что использовать нейтрино для точного измерения сигнала от протонов почти невозможно.
«Когда Теджин и наш коллега Ари Бодек (профессор физики Джорджа Э. Пейка в Рочестере) впервые предложили провести этот анализ, я подумал, что это будет слишком сложно», — говорит МакФарланд. «Но старый взгляд на протоны был очень тщательно изучен, поэтому мы решили попробовать эту технику, чтобы получить новый взгляд, и это сработало».
По словам Цая, коллективный опыт ученых MINERvA и сотрудничество внутри группы сыграли важную роль в проведении исследования.
«Результаты анализа и разработанные новые методы подчеркивают важность творческого подхода и сотрудничества в понимании данных», — говорит он.
«Хотя многие компоненты для анализа уже существовали, правильное их объединение действительно имело значение, и это невозможно сделать без экспертов с разным техническим образованием, которые поделятся своими знаниями, чтобы сделать эксперимент успешным».
В дополнение к предоставлению дополнительной информации об общем веществе, из которого состоит Вселенная, исследование важно для предсказания взаимодействия нейтрино для других экспериментов, которые пытаются измерить свойства нейтрино.
Эти эксперименты включают Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), нейтринный детектор Imaging Cosmic And Rare Underground Signals (ICARUS) и нейтринные эксперименты T2K, в которых участвуют Макфарланд и его группа.
«Нам нужна подробная информация о протонах, чтобы ответить на такие вопросы, как, например, какие нейтрино имеют большую массу, чем другие, и есть ли различия между нейтрино и их партнерами из антивещества», — говорит Цай.
«Наша работа — это еще один шаг вперед в ответах на фундаментальные вопросы физики нейтрино, которые являются целью этих крупных научных проектов в ближайшем будущем».
[ad_2]
Source