Учените са открили нов начин за изследване на структурата на протоните с помощта на частици неутрино.

Неутриното е една от най-разпространените частици в нашата Вселена, но е известно, че е трудно да се открие и изследва: то няма електрически заряд и почти няма маса. Често ги наричат "призрачни частици", защото рядко взаимодействат с атоми.

Но тъй като са толкова разпространени, те могат да окажат голяма помощ на учените да отговорят на фундаментални въпроси за Вселената.

В новаторско изследване, описано в списание Nature, ръководено от изследователи от Университета в Рочестър, учените от международното сътрудничество MINERvA за първи път използват сноп неутрино в Националната ускорителна лаборатория "Ферми", или Фермилаб, за да изследват структурата на протоните.

MINERvA е експеримент за изучаване на неутрино и изследователите не са си поставили за цел да изучават протоните. Но тяхното постижение, което някога се е смятало за невъзможно, предлага на учените нов начин за разглеждане на малките компоненти на атомното ядро.

Експериментът се ръководи от международно сътрудничество на близо 70 учени от 24 институции и девет държави.

MINERvA предоставя безпрецедентни данни за структурата на атомното ядро и динамиката на силите, които влияят на неутриновите взаимодействия. Тази информация е важна, за да помогне на учените да разкрият някои от най-големите загадки на физиката на елементарните частици, включително как материята е започнала да доминира над антиматерията във Вселената, което е позволило формирането на планети и живот.

Използване на снопове частици за измерване на протони

Атомите, както и протоните и неутроните, които изграждат ядрото на атома, са толкова малки, че изследователите трудно могат да ги измерят директно. Вместо това добиват представа за формата и структурата на компонентите на атома, бомбардирайки атомите със сноп от високоенергийни частици. След товае измерват на какво разстояние и под какъв ъгъл частиците се отразяват от компонентите на атома.

Представете си, че хвърляте топчета по кутия. Топчетата рекушират от кутията под определени ъгли, по което трябва да определите къде се намира кутията, нейния размер и форма, дори ако кутията е невидима за вас.

Какво могат да ни кажат неутриновите лъчи?

За първи път изследователите измерват размера на протоните през 50-те години на миналия век, като използват ускорител със снопове от електрони в линейния ускорител на Станфордския университет.

Сега вместо снопове ускорени електрони, новата техника използва снопове неутрино.

Новият метод не дава по-точно изображение от старата, но може да даде на учените нова информация за начина, по който неутриното и протоните си взаимодействат - информация, която понастоящем могат да получат само с помощта на теоретични изчисления или комбинация от теория и други измервания.

Това е като на снимаш цвете на нормална, видима светлина и след това в ултравиолетовия диапазон светлина.

"Гледате едно и също цвете, но можете да видите различни структури под различните видове светлина", обяснява Кевин Макфарланд (Kevin McFarland), водещ учен в експеримента. "Нашето изображение не е по-прецизно, но измерването на неутриното ни предоставя различен поглед".

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

"Като използваме новото си измерване, за да подобрим разбирането си за тези ядрени ефекти, ще можем по-добре да провеждаме бъдещи измервания на свойствата на неутриното", добавя Макфарланд.

Техническото предизвикателство на експериментите с неутрино

Неутриното се създава, когато атомните ядра се събират или разпадат. Слънцето е голям източник на неутрино, което е страничен продукт на слънчевия ядрен синтез. Ако например стоите на слънчева светлина, трилиони неутрино ще преминават безвредно през тялото ви всяка секунда -  за една година само едно или две неутрино ще взаимодействат при това преминаване.

Въпреки че неутриното е по-разпространено във Вселената от електроните, за учените е по-трудно да го използват експериментално в големи количества: неутриното преминава през материята като призрак, докато електроните взаимодействат с нея много по-често.

Изследователите решават този проблем отчасти с "химически фокус", използвайки детектор за неутрино, съдържащ мишена от водородни и въглеродни атоми. Обикновено изследователите използват само водородни атоми в експерименти за измерване на протони. Водородът е не само най-разпространеният елемент във Вселената, но е и най-простият, тъй като водородният атом съдържа само един протон и един електрон. Но мишена от чист водород не би била достатъчно плътна, за да може неутриното да взаимодейства с атомите.

"Химическият фокус" се състои в това, че свързват водорода във въглеводородни молекули, които го правят с по-откриваеми субатомни частици.

Групата MINERvA провежда своите експерименти с помощта на мощния ускорител на частици с висока енергия, разположен във Фермилаб. Ускорителят произвежда най-силния източник на високоенергийни неутрино на планетата.

Изследователите поразяват своя детектор, съставен от водородни и въглеродни атоми, със сноп частици неутрино и записват данни в продължение на почти девет години работа.

За да изолират само информацията от водородните атоми, изследователите е трябвало да извадят фоновия "шум" от въглеродните атоми.

Водородът и въглеродът са химически свързани помежду си, така че детекторът вижда взаимодействията и на двете едновременно. Но изследователите успяват "да извадят" взаимодействията с въглерода.

Изследването е важно не само за предоставяне на повече информация за общата материя, от която се състои Вселената, но и за прогнозиране на взаимодействията на неутриното за други експерименти, които се опитват да измерят свойствата на неутриното.

За да се отговори на въпроси като това кои неутрино имат по-голяма маса от други и дали има разлики между неутриното и неговите партньори от антиматерия, е нужна и подробна информация за протоните.

"Нашата работа е една крачка напред към отговорите на фундаменталните въпроси за физиката на неутриното, които са цел на тези големи научни проекти в близко бъдеще", казват изследователите.

Справка: “Measurement of the axial vector form factor from antineutrino–proton scattering” by T. Cai, M. L. Moore, A. Olivier, S. Akhter, Z. Ahmad Dar, V. Ansari, M. V. Ascencio, A. Bashyal, A. Bercellie, M. Betancourt, A. Bodek, J. L. Bonilla, A. Bravar, H. Budd, G. Caceres, M. F. Carneiro, G. A. Díaz, H. da Motta, J. Felix, L. Fields, A. Filkins, R. Fine, A. M. Gago, H. Gallagher, S. M. Gilligan, R. Gran, E. Granados, D. A. Harris, S. Henry, D. Jena, S. Jena, J. Kleykamp, A. Klustová, M. Kordosky, D. Last, T. Le, A. Lozano, X.-G. Lu, E. Maher, S. Manly, W. A. Mann, C. Mauger, K. S. McFarland et al, 1 February 2023, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-022-05478-3

Източник: “Ghostly” Neutrinos Provide Groundbreaking New Way To Investigate the Structure of Protons
University Of Rochester