“Spöklika” neutriner öppnar ett nytt sätt att studera protoner

Neutrinos är en av de vanligaste partiklarna i vårt universum, men de är notoriskt svåra att upptäcka och studera: de har ingen elektrisk laddning och nästan ingen massa. De kallas ofta “spökpartiklar” eftersom de sällan interagerar med atomer.

Men eftersom de är så rikliga, spelar de en viktig roll för att hjälpa forskare att svara på grundläggande frågor om universum.

I banbrytande forskning som beskrivs i Natur– ledd av forskare vid University of Rochester – har forskare från det internationella MINERvA-samarbetet för första gången använt en neutrinostråle vid Fermi National Accelerator Laboratory, eller Fermilab, för att studera protonernas struktur.

MINERvA är ett experiment för att studera neutriner, och forskarna ville inte studera protoner. Men deras bedrift, som en gång ansågs omöjlig, erbjuder forskare ett nytt sätt att undersöka de små komponenterna i en atoms kärna.

“Medan vi studerade neutriner i MINERvA-experimentet insåg jag att en teknik som jag använde kunde tillämpas för att studera protoner”, säger Tejin Cai, tidningens första författare. Cai, som nu är postdoktor vid York University, genomförde forskningen som doktorand. student till Kevin McFarland, fysikprofessor hos Dr Steven Chu i Rochester och en nyckelmedlem i universitetets Neutrino-grupp.

“Vi var först inte säkra på om det skulle fungera, men så småningom upptäckte vi att vi kunde använda neutriner för att mäta storleken och formen på protonerna som utgör kärnorna i atomerna. Det är som att använda en spöklinjal för att utföra en mätning. ”

Använda partikelstrålar för att mäta protoner

Atomer, tillsammans med de protoner och neutroner som utgör en atoms kärna, är så små att forskare har svårt att mäta dem direkt. Istället konstruerar de en bild av formen och strukturen hos en atoms komponenter genom att bombardera atomerna med en stråle av högenergipartiklar. De mäter sedan hur långt och i vilka vinklar partiklarna studsar från atomens komponenter.

Föreställ dig till exempel att kasta kulor på en låda. Kulor studsade av lådan i vissa vinklar, vilket gör att du kan avgöra var lådan var – och bestämma dess storlek och form – även om lådan inte var synlig för dig.

“Det är ett väldigt indirekt sätt att mäta något, men det tillåter oss att relatera strukturen hos ett objekt – i det här fallet en proton – till antalet avvikelser vi ser från olika vinklar”, säger McFarland.

Vad kan neutrinostrålar berätta för oss?

Forskare mätte först storleken på protoner på 1950-talet med hjälp av en accelerator med elektronstrålar vid Stanford Universitys Linear Accelerator Facility. Men istället för att använda accelererade elektronstrålar använder den nya tekniken som utvecklats av Cai, McFarland och deras kollegor neutrinostrålar.

Även om den nya tekniken inte ger en skarpare bild än den gamla, säger McFarland, kan den ge forskare nya insikter om hur neutriner och protoner interagerar – insikter som de för närvarande bara kan sluta sig till. genom att använda teoretiska beräkningar eller en kombination av teori och andra mätningar .

Genom att jämföra den nya tekniken med den gamla liknar McFarland processen med att se en blomma i normalt synligt ljus och sedan titta på blomman under ultraviolett ljus.

“Du tittar på samma blomma, men du kan se olika strukturer under olika typer av ljus,” säger McFarland. “Vår bild är inte mer exakt, men neutrinomätningen ger oss en annan syn.”

Specifikt hoppas de kunna använda tekniken för att separera neutrinospridningsrelaterade effekter på protoner från neutrinospridningsrelaterade effekter på atomkärnor, som är relaterade samlingar av protoner och neutroner.

“Våra tidigare metoder för att förutsäga neutrinospridning av protoner använde alla teoretiska beräkningar, men detta resultat mäter direkt spridningen”, säger Cai.

McFarland tillägger: “Genom att använda vår nya mätning för att förbättra vår förståelse av dessa kärnkraftseffekter kommer vi att bli bättre på att göra framtida mätningar av neutrinos egenskaper.”

Den tekniska utmaningen att experimentera med neutriner

Neutriner skapas när atomkärnor samlas eller separeras. Solen är en stor källa till neutriner, som är en biprodukt av kärnfusion från solen. Om du står i solljus, till exempel, kommer miljarder neutriner att passera ofarligt genom din kropp varje sekund.

Även om neutriner förekommer mer i universum än elektroner, är det svårare för forskare att experimentellt utnyttja dem i stort antal: neutriner passerar genom materia som spöken, medan elektroner interagerar med materia mycket oftare.

“Under loppet av ett år skulle det i genomsnitt bara finnas interaktioner mellan en eller två neutriner av de biljoner som passerar genom din kropp varje sekund”, förklarar Cai. “Det finns en enorm teknisk utmaning i våra experiment genom att vi måste få tillräckligt med protoner att observera, och vi måste ta reda på hur vi får tillräckligt med neutriner genom denna stora samling av protoner.”

Användning av neutrinodetektor

Forskarna löste detta problem delvis genom att använda en neutrinodetektor som innehåller ett mål av väte och kolatomer. I allmänhet använder forskare bara väteatomer i experiment för att mäta protoner. Väte är inte bara det vanligaste grundämnet i universum, utan det är också det enklaste, eftersom en väteatom bara innehåller en proton och en elektron. Men ett rent vätemål skulle inte vara tillräckligt tätt för att tillräckligt många neutriner ska interagera med atomerna.

“Vi gör ett “kemiskt trick”, så att säga, genom att binda väte till kolvätemolekyler som gör det kapabelt att detektera subatomära partiklar, säger McFarland.

MINERvA-gruppen genomförde sina experiment med en kraftfull partikelaccelerator med hög energi, placerad vid Fermilab. Acceleratorn producerar den mest kraftfulla högenergikällan för neutrino på planeten.

Forskarna träffade sin detektor som består av väte- och kolatomer med neutrinostrålen och registrerade data för nästan nio års drift.

För att endast isolera informationen från väteatomerna var forskarna tvungna att subtrahera bakgrundsljudet från kolatomer.

“Väte och kol är kemiskt bundna tillsammans, så detektorn ser interaktioner på båda samtidigt,” förklarar Cai. “Jag insåg att en teknik som jag använde för att studera kolinteraktioner också kunde användas för att se väte på egen hand när du subtraherade kolinteraktionerna. Mycket av vårt arbete var att subtrahera den mycket stora bakgrunden av neutrino som sprider protoner i kolkärnan .”

Enligt Deborah Harris, professor vid York University och medtalesman för MINERvA, “När vi föreslog MINERvA trodde vi aldrig att vi skulle kunna extrahera mätningar av väte i detektorn. För att uppnå detta arbete krävdes utmärkt prestanda från detektorn, kreativa analyser från forskare och år av drift” av Fermilab-acceleratorn.

Det omöjliga blir möjligt

Även McFarland trodde först att det skulle vara nästan omöjligt att använda neutriner för att exakt mäta protonsignalen.

“När Tejin och vår kollega Arie Bodek (fysikprofessor George E. Pake i Rochester) först föreslog att man skulle prova denna analys, trodde jag att det skulle vara för svårt”, sa McFarland. “Men den gamla protonvisionen har utforskats mycket omfattande, så vi bestämde oss för att prova den här tekniken för att få en ny vision – och det fungerade.”

MINERvA-forskarnas samlade expertis och samarbetet inom gruppen var avgörande för att genomföra forskningen, säger Cai.

“Resultatet av analysen och de nya teknikerna som utvecklats visar på vikten av att vara kreativ och samarbeta för att förstå data”, säger han. “Även om många komponenter i analysen redan fanns, gjorde det verkligen skillnad att sätta ihop dem på rätt sätt, och det kan inte göras utan att experter med olika teknisk bakgrund delar med sig av sin kunskap för att göra experimentet till en framgång. .”

Förutom att ge mer information om den gemensamma materia som utgör universum, är forskningen viktig för att förutsäga neutrinointeraktioner för andra experiment som försöker mäta neutrinoegenskaper. Dessa experiment inkluderar Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), neutrinodetektorn Imaging Cosmic And Rare Underground Signals (ICARUS) och T2K neutrinoexperimenten där McFarland och hans grupp är inblandade.

“Vi behöver detaljerad information om protoner för att svara på frågor som vilka neutriner som har mer massa än andra och om det finns skillnader mellan dem eller inte. neutriner och deras antimateriapartners, säger Cai. “Vårt arbete är ett steg mot att svara på de grundläggande frågorna om neutrinofysik som är målet för dessa stora vetenskapsprojekt inom en snar framtid.