„Призрачните“ неутрино осигуряват нов път за изследване на протоните

Неутриното са едни от най-разпространените частици в нашата вселена, но те са известни с трудности за откриване и изследване: те нямат електрически заряд и почти нямат маса. Те често се наричат ​​”призрачни частици”, защото рядко взаимодействат с атоми.

Но тъй като те са толкова изобилни, те играят голяма роля в подпомагането на учените да отговорят на фундаментални въпроси за Вселената.

В новаторско изследване, описано в Природата– водени от изследователи от университета в Рочестър – учени от международното сътрудничество MINERvA за първи път използваха лъч от неутрино в Националната ускорителна лаборатория на Ферми или Фермилаб, за да изследват структурата на протоните.

MINERvA е експеримент за изследване на неутрино и изследователите не са се заели да изучават протони. Но техният подвиг, който някога се смяташе за невъзможен, предлага на учените нов начин за разглеждане на малките компоненти на ядрото на атома.

„Докато изучавахме неутрино като част от експеримента MINERvA, осъзнах, че техниката, която използвах, може да бъде приложена за изследване на протони“, казва Теджин Кай, първият автор на статията. Cai, който сега е постдокторантски научен сътрудник в Йоркския университет, проведе изследването като докторска степен. ученик на Кевин Макфарланд, д-р Стивън Чу, професор по физика в Рочестър и ключов член на групата за неутрино на университета.

„Първоначално не бяхме сигурни дали ще проработи, но в крайна сметка открихме, че можем да използваме неутрино за измерване на размера и формата на протоните, които изграждат ядрата на атомите. Това е като да използвате призрачна линийка, за да направите измерване.“

Използване на лъчи от частици за измерване на протони

Атомите и протоните и неутроните, които изграждат ядрото на атома, са толкова малки, че на изследователите им е трудно да ги измерват директно. Вместо това те изграждат картина на формата и структурата на компонентите на атома, като бомбардират атомите с лъч от високоенергийни частици. След това измерват докъде и под какви ъгли частиците отскачат от компонентите на атома.

Представете си например да хвърляте топчета по кутия. Топчетата биха отскочили от кутията под определени ъгли, позволявайки ви да определите къде е кутията – и да определите нейния размер и форма – дори ако кутията не е видима за вас.

„Това е много индиректен начин за измерване на нещо, но ни позволява да свържем структурата на обект – в този случай протон – с това колко отклонения виждаме под различни ъгли“, казва Макфарланд.

Какво могат да ни кажат лъчите неутрино?

Изследователите за първи път измерват размера на протоните през 50-те години на миналия век, използвайки ускорител с лъчи електрони в линеен ускорител на Станфордския университет. Но вместо да използва лъчи от ускорени електрони, новата техника, разработена от Cai, McFarland и техните колеги, използва лъчи от неутрино.

Въпреки че новата техника не създава по-рязко изображение от старата техника, казва Макфарланд, тя може да даде на учените нова информация за това как неутриното и протоните си взаимодействат – информация, която те в момента могат да изведат само с помощта на теоретични изчисления или комбинация от теория и други измервания.

Сравнявайки новата техника със старата, Макфарланд оприличава процеса на виждане на цвете в нормална, видима светлина и след това гледане на цветето под ултравиолетова светлина.

„Гледате едно и също цвете, но можете да видите различни структури под различните видове светлина“, казва Макфарланд. “Нашето изображение не е по-прецизно, но измерването на неутрино ни дава различен изглед.”

По-конкретно, те се надяват да използват техниката, за да отделят ефектите, свързани с разсейването на неутрино върху протоните, от ефектите, свързани с разсейването на неутрино върху атомните ядра, които са свързани колекции от протони и неутрони.

„Нашите предишни методи за прогнозиране на разсейването на неутрино от протони всички използваха теоретични изчисления, но този резултат директно измерва това разсейване“, казва Кай.

Макфарланд добавя: „Като използваме нашето ново измерване, за да подобрим разбирането си за тези ядрени ефекти, ще можем по-добре да извършваме бъдещи измервания на свойствата на неутрино.“

Техническото предизвикателство на експериментирането с неутрино

Неутрино се създават, когато атомните ядра или се съберат, или се разпаднат. Слънцето е голям източник на неутрино, които са страничен продукт от ядрения синтез на слънцето. Ако стоите на слънчева светлина, например, трилиони неутрино ще преминават безвредно през тялото ви всяка секунда.

Въпреки че неутриното са по-изобилни във Вселената от електроните, за учените е по-трудно да ги използват експериментално в големи количества: неутриното преминават през материята като призраци, докато електроните взаимодействат с материята много по-често.

„Средно в течение на една година ще има взаимодействия само между едно или две неутрино от трилионите, които преминават през тялото ви всяка секунда“, казва Кай. „Има огромен техническо предизвикателство в нашите експерименти в това, че трябва да получим достатъчно протони, които да гледаме, и трябва да разберем как да получим достатъчно неутрино през тази голяма група от протони.”

Използване на детектор за неутрино

Изследователите разрешиха този проблем отчасти, като използваха a детектор за неутрино съдържащ мишена от водородни и въглеродни атоми. Обикновено изследователите използват само водородни атоми в експерименти за измерване на протони. Водородът не само е най-разпространеният елемент във Вселената, той е и най-простият, тъй като водородният атом съдържа само един протон и електрон. Но мишена от чист водород не би била достатъчно плътна, за да могат достатъчно неутрино да взаимодействат с атомите.

„Извършваме „химичен трик“, така да се каже, като свързваме водорода във въглеводородни молекули, които го правят способен да открива субатомни частици“, казва Макфарланд.

Групата MINERvA проведе своите експерименти с помощта на ускорител на частици с висока мощност и висока енергия, разположен във Fermilab. Ускорителят произвежда най-мощния източник на високоенергийни неутрино на планетата.

Изследователите удариха своя детектор, направен от водородни и въглеродни атоми, с лъч от неутрино и записаха данни за почти девет години работа.

За да изолират само информацията от водородните атоми, изследователите трябваше да извадят фоновия “шум” от въглеродни атоми.

„Водородът и въглеродът са химически свързани заедно, така че детекторът вижда взаимодействия и на двете едновременно“, казва Кай. „Осъзнах, че техника, която използвах за изследване на взаимодействията върху въглерода, може също да се използва, за да се види водородът сам по себе си, след като извадите въглеродните взаимодействия. Голяма част от нашата работа беше изваждането на много големия фон от разсейването на неутриното върху протоните в въглеродното ядро.”

Дебора Харис, професор в Йоркския университет и съ-говорител на MINERvA, казва: „Когато предложихме MINERvA, никога не сме мислили, че ще можем да извлечем измервания от водорода в детектора. Осъществяването на тази работа изисква голяма производителност от детектора , креативен анализ от учени и години работа” на ускорителя във Fermilab.

Невъзможното става възможно

Макфарланд също първоначално смяташе, че ще бъде почти невъзможно да се използват неутрино за прецизно измерване на сигнала от протоните.

„Когато Теджин и нашият колега Ари Бодек (професорът по физика Джордж Е. Пейк в Рочестър) за първи път предложиха да опитаме този анализ, реших, че ще бъде твърде трудно“, казва Макфарланд. „Но старият възглед за протоните беше много подробно проучен, така че решихме да опитаме тази техника, за да получим нов изглед – и той проработи.“

Колективният опит на учените от MINERvA и сътрудничеството в рамките на групата бяха от съществено значение за извършването на изследването, казва Кай.

„Резултатът от анализа и разработените нови техники подчертават значението на творчеството и сътрудничеството при разбирането на данните“, казва той. „Въпреки че много от компонентите за анализа вече съществуваха, събирането им по правилния начин наистина направи разликата и това не може да бъде направено без експерти с различен технически опит, които споделят знанията си, за да направят експеримента успешен.“

В допълнение към предоставянето на повече информация за общата материя, която се състои от Вселената, изследването е важно за предсказване на взаимодействията на неутрино за други експерименти, които се опитват да измерят свойствата на неутриното. Тези експерименти включват Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), детектор за неутрино Imaging Cosmic And Rare Underground Signals (ICARUS) и експерименти с неутрино T2K, в които участват McFarland и неговата група.

„Нуждаем се от подробна информация за протоните, за да отговорим на въпроси като кои неутрино имат по-голяма маса от други и дали има или не разлики между неутрино и техните антиматерийни партньори”, казва Кай. „Нашата работа е една стъпка напред в отговора на фундаменталните въпроси относно физиката на неутриното, които са целта на тези големи научни проекти в близко бъдеще.”