نیوزویز – برای اولین بار، فیزیکدانان ذرات توانستند اندازه و ساختار یک پروتون را با استفاده از نوترینوها به طور دقیق اندازه گیری کنند. با داده های جمع آوری شده از هزاران نوترینورویدادهای پراکندگی هیدروژن که توسط MINERvA، یک آزمایش فیزیک ذرات در آزمایشگاه شتاب دهنده ملی فرمی وزارت انرژی ایالات متحده جمع آوری شده است، فیزیکدانان عدسی جدیدی برای مطالعه پروتون ها کشف کرده اند. نتایج امروز در مجله علمی منتشر شد طبیعت.
این اندازه‌گیری همچنین برای تجزیه و تحلیل داده‌های آزمایش‌هایی که با هدف اندازه‌گیری ویژگی‌های نوترینو با دقت بالا، از جمله آینده، مهم است. در اعماق زمین نوترینو آزمایش کنیدبه میزبانی Fermilab
آزمایش MINERvA راه جدیدی را برای دیدن و درک ساختار پروتون ها برای ما باز کرده است که هم برای درک ما از اجزای سازنده ماده و هم برای توانایی ما در تفسیر نتایج آزمایش شاخص DUNE در افق بسیار مهم است. بانی فلمینگ، معاون مدیر علم و فناوری Fermilab.
پروتون ها و نوترون ها ذرات تشکیل دهنده آنها هستند هستهیا هسته یک اتم. درک اندازه و ساختار آنها برای درک تعاملات ذرات ضروری است. اما اندازه گیری چیزها در مقیاس های زیراتمی بسیار دشوار است. پروتون – حدود یک فمتومتر یا 10-15 متر قطر – برای مطالعه با نور مرئی بسیار کوچک هستند. در عوض، دانشمندان از ذرات شتاب‌گرفته به انرژی‌های بالا استفاده می‌کنند. طول موج آنها می تواند مقیاس های دقیقه ای را بررسی کند. از دهه 1950، فیزیکدانان ذرات از الکترون ها برای اندازه گیری اندازه و ساختار پروتون استفاده کردند. الکترون ها دارای بار الکتریکی هستند، به این معنی که با توزیع نیروی الکترومغناطیسی در پروتون تعامل دارند. با شلیک پرتوی از الکترون‌های شتاب‌دار به سمت هدف حاوی اتم‌های زیادی، فیزیکدانان می‌توانند نحوه تعامل الکترون‌ها با پروتون‌ها و در نتیجه نحوه توزیع نیروی الکترومغناطیسی در پروتون را مشاهده کنند. اکنون فیزیکدانان با انجام آزمایش‌های دقیق‌تر، شعاع بار الکتریکی پروتون را که 0.877 فمتومتر است، اندازه‌گیری کرده‌اند.
را همکاری با MINERvA با استفاده از ذراتی به نام به نتیجه پیشگامانه خود رسید نوترینو به جای الکترون به طور خاص، آنها از پادنوترینوها، همتایان پادماده نوترینوها استفاده کردند. برخلاف الکترون‌ها، نوترینوها و پادنوترینوها بار الکتریکی ندارند. آنها فقط از طریق ذرات دیگر برهمکنش می کنند نیروی هسته ای ضعیف. این باعث می شود که آنها نسبت به توزیع “بار ضعیف” در داخل پروتون حساس باشند.
با این حال، نوترینوها و پادنوترینوها به ندرت با پروتون‌ها برهمکنش می‌کنند – از این رو به آن نیروی ضعیف می‌گویند. دانشمندان MINERvA برای جمع‌آوری رویدادهای پراکندگی کافی برای اندازه‌گیری آماری معنی‌دار، مجبور شدند بسیاری از پادنوترینوها را به پروتون‌های زیادی خرد کنند.
خوشبختانه Fermilab خانه قدرتمندترین نیروگاه پرانرژی در جهان است نوترینو و پرتوهای ضد نوترینو و MINERvA حاوی تعداد زیادی پروتون است. MINERvA در 100 متری زیر زمین در پردیس Fermilab در باتاویا، ایلینویز، برای اندازه گیری با دقت بالا طراحی شده است. نوترینو فعل و انفعالات بر روی طیف گسترده ای از مواد، از جمله کربن، سرب و پلاستیک.
برای اندازه‌گیری ساختار پروتون با دقت بالا، دانشمندان به طور ایده‌آل یک نوترینو یا پادنوترینو را به یک هدف بسیار متراکم که فقط از هیدروژن ساخته شده است، ارسال می‌کنند که حاوی پروتون است اما نوترون ندارد. این یک چالش تجربی است، اگر نگوییم غیرممکن است. در عوض، آشکارساز MINERvA حاوی هیدروژنی است که به شکل پلاستیکی به نام پلی استایرن به کربن متصل است. اما هیچ کس هرگز سعی نکرده است داده های هیدروژن را از داده های کربن جدا کند.
تجین تسای، محقق فوق دکتری در دانشگاه یورک و نویسنده اصلی این مقاله می‌گوید: «اگر خوش‌بین نبودیم، می‌گفتیم غیرممکن است. طبیعت کاغذ. کای این تحقیق را برای دکترای خود در دانشگاه روچستر انجام داد. هیدروژن و کربن از نظر شیمیایی با هم پیوند دارند، بنابراین آشکارساز تعامل هر دو را به طور همزمان مشاهده می کند. اما بعد متوجه شدم که همان اثرات هسته‌ای که پراکندگی روی کربن را پیچیده می‌کند، به ما امکان می‌دهد هیدروژن را انتخاب کنیم و به ما امکان می‌دهد فعل و انفعالات کربن را استخراج کنیم.
کای و آری بودک، استاد دانشگاه روچستر، استفاده از هدف پلی استایرن MINERvA را برای اندازه گیری آنتی نوترینوهای پراکنده شده توسط پروتون در هیدروژن و کربن پیشنهاد کردند. هسته ها به دکترای Cai. مشاور، کوین مک فارلند. آنها با هم الگوریتم هایی برای تفریق پس زمینه کربن بزرگ با شناسایی نوترون های تولید شده توسط پادنوترینوهای پراکنده شده توسط اتم های کربن ایجاد کردند.
زمانی که تاجین و آری برای اولین بار پیشنهاد کردند که این تحلیل را امتحان کنید، فکر کردم خیلی سخت است و دلگرم کننده نبود. مک فارلند، استاد دانشگاه روچستر، گفت: تجین پشتکار داشت و ثابت کرد که می‌توان آن را انجام داد. “یکی از بهترین بخش های معلم بودن، داشتن دانش آموزی است که به اندازه کافی یاد می گیرد تا به شما ثابت کند اشتباه می کنید.”
Cai و همکارانش از MINERvA برای ثبت بیش از یک میلیون تعامل ضد نوترینو در طول سه سال استفاده کردند. آنها متوجه شدند که حدود 5000 نفر از آنها بودند نوترینو-رویدادهای پراکندگی هیدروژن
با این داده ها، آنها به این نتیجه رسیدند که اندازه شعاع بار ضعیف پروتون 0.17 ± 0.73 فمتومتر است. این اولین اندازه گیری آماری معنی دار شعاع پروتون با استفاده از نوترینو است. در عدم قطعیت آن، نتیجه برابر با شعاع بار الکتریکی است که با پراکندگی الکترون اندازه‌گیری می‌شود.
نتیجه نشان می دهد که فیزیکدانان می توانند از این استفاده کنند نوترینو-تکنیک پراکندگی برای دیدن پروتون از طریق یک عدسی جدید. مانند این است که چگونه نگاه کردن به جهان در طول موج های مختلف به اخترشناسان اجازه می دهد تا جهان را به روش های جدیدی مطالعه کنند، همانطور که در تلسکوپ فضایی جیمز وب حساس به فروسرخ دیده می شود.
نتیجه همچنین درک بهتری از ساختار پروتون فراهم می کند. این می تواند برای پیش بینی رفتار گروه های پروتون در هسته یک اتم استفاده شود. اگر فیزیکدانان با اندازه گیری بهتری شروع کنند نوترینوبرهم کنش های پروتون، آنها می توانند مدل های بهتری بسازند نوترینو– فعل و انفعالات هسته ای این کار باعث بهبود کار دیگران می شود نوترینو آزمایش هایی مانند NOVA در Fermilab و T2K در ژاپن.
برای Cai، یکی از هیجان‌انگیزترین چیزها در مورد نتیجه نشان می‌دهد که «حتی با یک آشکارساز ذرات مشترک، ما می‌توانیم کارهایی را انجام دهیم که هرگز تصور نمی‌کردیم انجام دهیم».
دبورا هریس، رئیس همکاری MINERvA، دانشمند Fermilab و استاد فیزیک در دانشگاه یورک، گفت: «وقتی MINERvA را پیشنهاد کردیم، هرگز تصور نمی‌کردیم بتوانیم اندازه‌گیری‌هایی را از هیدروژن موجود در آشکارساز استخراج کنیم. ساخت این کار به عملکرد آشکارساز عالی، ایده های تحلیل خلاقانه و سال ها کار در شدیدترین حالت پر انرژی نیاز دارد. نوترینو پرتوی سیاره
این کار توسط دفتر علوم DOE، بنیاد ملی علوم، هماهنگی برای بهبود پرسنل در آموزش عالی در برزیل، شورای ملی برزیل برای توسعه علمی و فناوری، شورای ملی مکزیک برای علم و فناوری، خط پایه حمایت شده است. پروژه در شیلی، کمیسیون تحقیقات علمی و فناوری ملی شیلی، صندوق ملی توسعه علمی و فناوری شیلی، شورای ملی پرو برای علم، فناوری و نوآوری های فنی، مدیریت مدیریت تحقیقات در دانشگاه پاپی کاتولیک پرو، دانشگاه ملی مهندسی پرو، مرکز ملی علوم لهستان و شورای تأسیسات علم و فناوری انگلستان.
آزمایشگاه ملی فرمی توسط دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده پشتیبانی می شود. دفتر علوم بزرگترین حامی تحقیقات پایه در علوم فیزیکی در ایالات متحده است و برای رسیدگی به برخی از مهم ترین چالش های زمان ما کار می کند. برای اطلاعات بیشتر مراجعه کنید Science.energy.gov.
