Neutrinoer tilbyder en ny måde at undersøge stoffets byggesten på

Afbildninger af den romerske visdomsgudinde Minerva viser hende i flydende klæder, iført en ædel krigshjelm og med en ugle. I modsætning hertil har MINERvA-eksperimentet en enorm partikeldetektor med navnene på samarbejdende videnskabsmænd skrevet på forsiden af ​​den.

Selvom det ser meget anderledes ud, giver dette neutrino-eksperiment dyb visdom til videnskabsmænd, ligesom dets navnebror repræsenterer. Blandt dens mange indsigter har forskere brugt MINERvA til bedre at forstå størrelsen og strukturen af ​​protoner, en af ​​atomernes byggesten.

MINERvA er et neutrinospredningsforsøg ved Energiministeriets Fermilab. Neutrinoer er små, elektrisk neutrale partikler, der er utroligt rigelige. Solen, andre stjerner og mange forskellige objekter producerer dem som et resultat af atomare reaktioner. Faktisk er der flere neutrinoer i universet end nogen anden partikel, der har masse.

På trods af at vi er allestedsnærværende, bemærker vi aldrig neutrinoer, fordi de næsten aldrig reagerer med noget. At studere neutrinoer er afgørende for at forstå, hvordan vores univers blev dannet i fortiden og fungerer nu.

For bedre at forstå denne fundamentale partikel studerer forskere, hvordan neutrinoer interagerer med materialer i de sjældne tilfælde, som de rent faktisk gør. MINERvA's mission er at fange disse interaktioner.

Den bruger en neutrinostråle med høj intensitet til at studere, hvordan de interagerer med kernerne i fem forskellige grundstoffer. Ved at lade neutrinoerne ramme mål lavet af forskellige materialer - vand, helium, kulstof, jern, bly og plastik - kan videnskabsmænd sammenligne reaktionerne. At kortlægge de forskellige interaktioner vil hjælpe videnskabsmænd med at analysere resultaterne af andre eksperimenter som det kommende Deep Underground Neutrino Experiment.

Ud over dette mål fandt forskere fra MINERvA-samarbejdet ud af en anden smart anvendelse af deres data – at undersøge protonens størrelse og struktur.

Sammen med neutroner udgør protoner kernerne i de atomer, der udgør os og alt omkring os. De er en af ​​byggestenene i stof, vi interagerer med hver dag.

Men at studere subatomære partikler er meget vanskeligere end at studere større objekter. Subatomære partikler er alt for små til at studere med almindelige værktøjer som mikroskoper. Derudover har "størrelsen" af en subatomær partikel ikke helt den samme betydning som størrelsen af ​​et objekt, du kan måle med en lineal. I stedet studerer forskere de kræfter, der holder protonen sammen.

Tidligere har forskere studeret protonens størrelse ved hjælp af den elektromagnetiske kraft. Elektromagnetisme er en af ​​de fire grundlæggende kræfter i universet. Magnetiske felter, elektriske felter og endda lys falder ind under den elektromagnetiske kraft. Det binder elektroner til kernen (lavet af protoner og neutroner) i atomet. Det er også delvist ansvarligt for strukturen af ​​kernen.

For at repræsentere protonens størrelse har forskere typisk brugt den elektriske ladningsradius. Det er den gennemsnitlige radius af den elektriske ladning fordelt i protonen. For at måle denne egenskab retter forskere en elektronstråle mod en enkelt energi mod et mål. Elektronerne flyver væk fra protonerne i mange forskellige retninger og energier, hvilket giver forskerne information om protonernes indre struktur.

Ved hjælp af denne teknik har forskerne været i stand til at foretage en meget præcis måling af størrelsen af ​​protonens gennemsnitlige elektriske ladningsradius, og derfor de kvarker, der giver den elektriske ladning.

Anført af Tejin Cai (dengang ph.d.-studerende ved University of Rochester), havde MINERvA-samarbejdet en anden tilgang. Idéen var at bruge antineutrinoer – antistof-tvillingen af ​​neutrinoer – til at studere protoner.

Fordi neutrinoer (og antineutrinoer) ikke har en ladning, ville de ikke interagere via den elektromagnetiske kraft. I stedet ville neutrinoerne interagere via den svage kraft i protonerne. Den svage kraft og tyngdekraften er de eneste to måder, hvorpå neutrinoer interagerer med noget som helst.

På trods af sit navn er den svage kraft magtfuld. En anden af ​​disse fire grundlæggende kræfter, den muliggør den proces, hvorved protoner bliver til neutroner eller omvendt. Det er disse processer, der driver solen og andre stjerners nukleare reaktioner. Neutrinoer tilbyder et unikt værktøj til at studere den svage kraft.

Men den svage kraft kommer først i spil, når partikler er meget, meget tæt på hinanden. Når neutrinoer svæver gennem rummet, bevæger de sig normalt gennem de (forholdsvis) store rum mellem et atoms elektroner og kerne.

Det meste af tiden er neutrinoer simpelthen ikke tæt nok på protoner til, at de kan interagere via den svage kraft. For muligvis at få nok målinger skal forskerne skyde et svimlende antal neutrinoer eller antineutrinoer mod et mål.

MINERvA's kraftfulde neutrinostråle og forskellige mål gjorde dette mål muligt. I en ideel verden ville videnskabsmænd rette neutrinoer mod et mål lavet af rene neutroner eller antineutrinoer mod et mål lavet af rene protoner. På denne måde kunne forskerne få de mest specifikke målinger. Desværre er det ikke en særlig realistisk eksperimentel opsætning.

Men MINERvA havde allerede den næstbedste ting – en masse antineutrinoer og et mål lavet af polystyren. Materialet, der udgør Styrofoam, polystyren er lavet af hydrogen bundet til kulstof. Ved at bruge dette mål ville forskerne få målinger af, hvordan antineutrinoer interagerer med både brint og kulstof.

For at adskille brint fra kulstof tog forskerne en fremgangsmåde, der ligner at tage et billede og derefter slette baggrunden for at give dig mulighed for at fokusere på nogle få ting. For at bestemme disse "baggrunds" neutrino-carbon-interaktioner kiggede forskerne på neutroner.

Når antineutrinoer interagerer med protoner i kulstof eller protoner af sig selv i brint, producerer de neutroner. Ved at spore neutronerne kunne forskerne arbejde baglæns for at identificere og fjerne kulstof-antineutrino-interaktionerne fra brint-antineutrino-interaktionerne.

At få det nødvendige antal interaktioner testede virkelig MINERvA's muligheder. I løbet af tre år registrerede forskere mere end en million interaktioner af antineutrinoer med andre partikler. Kun 5.000 af dem var med brint.

Disse data tillod endelig forskerne at beregne protonens størrelse ved hjælp af neutrinoer. I stedet for den elektriske ladningsradius beregnede de protonens svage ladningsradius. Det var første gang, at forskere har brugt neutrinoer til at foretage en statistisk signifikant måling af denne egenskab.

I betragtning af usikkerheder var resultatet meget tæt på de tidligere målinger af protonens elektriske ladningsradius. Da det grundlæggende måler den rumlige fordeling af kvarker og gluoner, der udgør protonen, forventedes værdien at være ens.

Denne nye teknik giver forskerne endnu et værktøj i deres værktøjskasse til at studere protonens struktur. Det er et vidnesbyrd om den visdom, vi kan opnå, når videnskabsmænd tænker kreativt over at bruge eksisterende eksperimenter til at udforske nye forskningsområder.

Leveret af det amerikanske energiministerium