Нейтрино предлагают новый способ исследования строительных блоков материи

Важные новости

Нейтрино предлагают новый способ исследования строительных блоков материи

Детектор частиц, используемый в эксперименте MINERvA, позволил ученым Фермилаборатории Министерства энергетики США использовать нейтрино для измерения размера и структуры протонов. Фото: Фермилаб

На изображениях римской богини мудрости Минервы она изображена в развевающихся одеждах, в благородном боевом шлеме и с совой в руках. Напротив, эксперимент MINERvA представляет собой огромный детектор частиц, на передней панели которого нацарапаны имена сотрудничающих ученых.

Несмотря на то, что этот нейтринный эксперимент совершенно отличается по внешнему виду, он дает ученым глубокую мудрость, как и его тезка. . Помимо множества открытий, ученые использовали MINERvA, чтобы лучше понять размер и структуру протонов, одного из строительных блоков атомов.

MINERvA — это эксперимент по рассеянию нейтрино в Фермилаборатории Министерства энергетики. Нейтрино — это крошечные электрически нейтральные частицы, которых невероятно много. Солнце, другие звезды и многие другие объекты производят их в результате атомных реакций. На самом деле во Вселенной нейтрино больше, чем любой другой частицы, имеющей массу.

Несмотря на повсеместное распространение, мы никогда не замечаем нейтрино, потому что они почти никогда ни с чем не реагируют. Изучение нейтрино необходимо для понимания того, как наша Вселенная формировалась в прошлом и функционирует сейчас.

Чтобы лучше понять эту фундаментальную частицу, ученые изучают, как нейтрино взаимодействуют с материалами в тех редких случаях, когда они действительно взаимодействуют. Миссия MINERvA — зафиксировать эти взаимодействия.

Он использует пучок нейтрино высокой интенсивности для изучения того, как они взаимодействуют с ядрами пяти различных элементов. Поражая нейтрино цели, состоящие из разных материалов — воды, гелия, углерода, железа, свинца и пластика, — ученые могут сравнить реакции. Представление различных взаимодействий поможет ученым проанализировать результаты других экспериментов, таких как предстоящий Deep Underground Neutrino Experiment.

В дополнение к этой цели ученые из коллаборации MINERvA придумали еще одно умное применение своим данным — для исследовать размер и структуру протона.

Наряду с нейтронами протоны составляют ядра атомов, из которых состоят мы и все, что нас окружает. Они являются одним из строительных блоков материи, с которой мы взаимодействуем каждый день.

Но изучать субатомные частицы намного сложнее, чем изучать более крупные объекты. Субатомные частицы слишком малы, чтобы их можно было изучать с помощью обычных инструментов, таких как микроскопы. Кроме того, «размер» субатомной частицы не имеет того же значения, что размер объекта, который можно измерить линейкой. Вместо этого ученые изучают силы, удерживающие протон вместе.

В прошлом ученые изучали размер протона с помощью электромагнитной силы. Электромагнетизм — одна из четырех фундаментальных сил Вселенной. Магнитные поля, электрические поля и даже свет подпадают под действие электромагнитной силы. Он связывает электроны с ядром (состоящим из протонов и нейтронов) атома. Он также частично отвечает за структуру ядра.

Чтобы представить размер протона, ученые обычно использовали радиус электрического заряда. Это средний радиус электрического заряда, распределенного в протоне. Чтобы измерить эту характеристику, ученые направляют на цель луч электронов одной энергии. Электроны отлетают от протонов в самых разных направлениях и с разными энергиями, что дает ученым информацию о внутренней структуре протонов.

Используя этот метод, ученые смогли очень точно измерить размер среднего радиуса электрического заряда протона и, следовательно, кварков, обеспечивающих электрический заряд.

Коллаборация MINERvA под руководством Теджина Цая (тогда аспиранта Рочестерского университета) имела другой подход. Идея заключалась в том, чтобы использовать антинейтрино — двойника нейтрино из антиматерии — для изучения протонов.

Поскольку нейтрино (и антинейтрино) не имеют заряда, они не будут взаимодействовать посредством электромагнитной силы. Вместо этого нейтрино будут взаимодействовать через слабое взаимодействие протонов. Слабое взаимодействие и гравитация — единственные два способа взаимодействия нейтрино с чем-либо.

Несмотря на свое название, слабая сила сильна. Еще одна из этих четырех фундаментальных сил, она обеспечивает процесс, посредством которого протоны превращаются в нейтроны или наоборот. Именно эти процессы управляют ядерными реакциями Солнца и других звезд. Нейтрино предлагают уникальный инструмент для изучения слабого взаимодействия.

Но слабое взаимодействие вступает в игру только тогда, когда частицы расположены очень, очень близко друг к другу. Когда нейтрино парят в космосе, они обычно движутся через (сравнительно) обширные пространства между электронами атома и ядром.

В большинстве случаев нейтрино просто не находятся достаточно близко к протонам, чтобы они могли взаимодействовать посредством слабого взаимодействия. Чтобы получить достаточно результатов измерений, ученым необходимо выстрелить в цель ошеломляющим количеством нейтрино или антинейтрино.

Мощный нейтринный луч MINERvA и разнообразные цели сделали эту цель возможной. В идеальном мире ученые направляли бы нейтрино на мишень, состоящую из чистых нейтронов, или антинейтрино на мишень, состоящую из чистых протонов. Таким образом, учёные смогли получить наиболее точные измерения. К сожалению, это не очень реалистичная экспериментальная установка.

Но у MINERvA уже было следующее лучшее — множество антинейтрино и мишень из полистирола. Материал, из которого состоит пенополистирол, полистирол, состоит из водородных связей с углеродом. Используя эту мишень, ученые смогут измерить, как антинейтрино взаимодействуют как с водородом, так и с углеродом.

Чтобы отделить водород от углерода, ученые применили подход, аналогичный съемке фотографии, а затем удалению фона, чтобы вы могли сосредоточиться лишь на нескольких объектах. Чтобы определить эти «фоновые» нейтрино-углеродные взаимодействия, ученые изучили нейтроны.

Когда антинейтрино взаимодействуют с протонами в углероде или сами по себе протонами в водороде, они производят нейтроны. Отслеживая нейтроны, ученые могли бы работать в обратном направлении, чтобы идентифицировать и исключить взаимодействия углерод-антинейтрино из взаимодействий водород-антинейтрино.

Получение необходимого количества взаимодействий действительно проверило возможности MINERvA. За три года ученые зафиксировали более миллиона взаимодействий антинейтрино с другими частицами. Лишь 5000 из них были с водородом.

Эти данные наконец позволили ученым вычислить размер протона с помощью нейтрино. Вместо радиуса электрического заряда они рассчитали радиус слабого заряда протона. Это был первый случай, когда ученые использовали нейтрино для статистически значимого измерения этой характеристики.

Учитывая неопределенности, результат был очень близок к предыдущим измерениям радиуса электрического заряда протона. Поскольку в основе этого метода лежит измерение пространственного распределения кварков и глюонов, составляющих протон, ожидалось, что значение будет аналогичным.

Этот новый метод дает ученым еще один инструмент в их наборе инструментов для изучения структуры протона. Это свидетельство мудрости, которую мы можем обрести, если ученые творчески подходят к использованию существующих экспериментов для изучения новых областей исследований.

Предоставлено Министерством энергетики США

Новости сегодня

Последние новости