Neutrina są jednymi z najbardziej rozpowszechnionych cząstek w naszym wszechświecie, ale są niezwykle trudne do wykrycia i zbadania: nie mają ładunku elektrycznego i prawie nie mają masy. Często określa się je mianem „cząstek duchów”, ponieważ rzadko wchodzą w interakcje z atomami.
Ale ponieważ jest ich tak dużo, odgrywają dużą rolę w pomaganiu naukowcom w udzielaniu odpowiedzi na fundamentalne pytania dotyczące wszechświata.
W przełomowych badaniach opisanych w Nature – prowadzonych przez naukowców z University of Rochester – naukowcy z międzynarodowej współpracy MINERvA po raz pierwszy wykorzystali wiązkę neutrin w Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) do zbadania struktury protonów.
MINERvA to eksperyment mający na celu badanie neutrin, a naukowcy nie zamierzali badać protonów. Ale ich wyczyn, kiedyś uważany za niemożliwy, oferuje naukowcom nowy sposób patrzenia na małe elementy jądra atomu.
„Kiedy badaliśmy neutrina w ramach eksperymentu MINERvA, zdałem sobie sprawę, że technika, której używam, może zostać zastosowana do badania protonów” – mówi Tejin Cai, pierwszy autor artykułu. Cai, który jest obecnie pracownikiem naukowym z tytułem doktora na York University, prowadził badania jako doktorant Kevina McFarlanda, profesora fizyki Dr. Stevena Chu w Rochester i kluczowego członka uniwersyteckiej grupy Neutrino. „Na początku nie byliśmy pewni, czy to zadziała, ale ostatecznie odkryliśmy, że możemy użyć neutrin do pomiaru rozmiaru i kształtu protonów tworzących jądra atomów. To tak, jakby użyć linijki duchów do wykonania pomiaru”.
Wykorzystanie wiązek cząstek do pomiaru protonów
Atomy oraz protony i neutrony tworzące jądro atomu są tak małe, że naukowcom trudno jest je bezpośrednio zmierzyć. Zamiast tego budują obraz kształtu i struktury składników atomu, bombardując atomy wiązką wysokoenergetycznych cząstek. Następnie mierzą, jak daleko i pod jakimi kątami cząstki odbijają się od składników atomu.
Wyobraź sobie na przykład rzucanie kulkami w pudełko. Kulki odbijały się od pudełka pod pewnymi kątami, umożliwiając określenie, gdzie znajduje się pudełko – oraz określenie jego rozmiaru i kształtu – nawet jeśli pudełko nie było dla ciebie widoczne.
“Jest to bardzo pośredni sposób mierzenia czegoś, ale pozwala nam powiązać strukturę obiektu – w tym przypadku protonu – z liczbą odchyleń, które widzimy pod różnymi kątami” – mówi McFarland.
Co mogą nam powiedzieć wiązki neutrin?
Naukowcy po raz pierwszy zmierzyli rozmiar protonów w latach pięćdziesiątych XX wieku, używając akceleratora z wiązkami elektronów w akceleratorze liniowym Uniwersytetu Stanforda. Ale zamiast używać wiązek przyspieszonych elektronów, nowa technika opracowana przez Cai, McFarlanda i ich współpracowników wykorzystuje wiązki neutrin.
Chociaż nowa technika nie daje ostrzejszego obrazu niż stara technika, McFarland mówi, że może dostarczyć naukowcom nowych informacji na temat interakcji neutrin i protonów – informacji, które obecnie mogą wywnioskować tylko za pomocą obliczeń teoretycznych lub kombinacji teorii i innych pomiarów.
Porównując nową technikę ze starą, McFarland porównuje ten proces do oglądania kwiatu w normalnym, widzialnym świetle, a następnie patrzenia na kwiat w świetle ultrafioletowym.
“Patrzysz na ten sam kwiat, ale możesz zobaczyć różne struktury w różnych rodzajach światła” – mówi McFarland. „Nasz obraz nie jest dokładniejszy, ale pomiar neutrin daje nam inny pogląd”.
W szczególności mają nadzieję, że wykorzystają tę technikę do oddzielenia efektów związanych z rozpraszaniem neutrin na protonach od efektów związanych z rozpraszaniem neutrin na jądrach atomowych, które są związanymi zbiorami protonów i neutronów.
„Wszystkie nasze poprzednie metody przewidywania rozpraszania neutrin z protonów wykorzystywały obliczenia teoretyczne, ale ten wynik bezpośrednio mierzy to rozpraszanie” – mówi Cai.
McFarland dodaje: „Wykorzystując nasze nowe pomiary do lepszego zrozumienia tych efektów jądrowych, będziemy w stanie lepiej przeprowadzać przyszłe pomiary właściwości neutrin”.
Techniczne wyzwanie eksperymentowania z neutrinami
Neutrina powstają, gdy jądra atomowe łączą się lub rozpadają. Słońce jest dużym źródłem neutrin, które są produktem ubocznym słonecznej syntezy jądrowej. Na przykład, jeśli staniesz w świetle słonecznym, biliony neutrin będą nieszkodliwie przechodzić przez twoje ciało w każdej sekundzie.
Chociaż neutrin występuje we wszechświecie częściej niż elektronów, naukowcom trudniej jest eksperymentalnie wykorzystać je w dużych ilościach: neutrina przechodzą przez materię jak duchy, podczas gdy elektrony wchodzą w interakcje z materią znacznie częściej.
„W ciągu roku średnio dochodziłoby tylko do interakcji między jednym lub dwoma neutrinami z bilionów, które przechodzą przez twoje ciało w każdej sekundzie” – mówi Cai. „W naszych eksperymentach istnieje ogromne wyzwanie techniczne, ponieważ musimy uzyskać wystarczającą liczbę protonów do obejrzenia i musimy dowiedzieć się, jak uzyskać wystarczającą liczbę neutrin przez tak duży zespół protonów”.
Korzystanie z detektora neutrin
Naukowcy rozwiązali ten problem częściowo za pomocą detektora neutrin zawierającego zarówno atomy wodoru, jak i węgla. Zazwyczaj naukowcy używają tylko atomów wodoru w eksperymentach do pomiaru protonów. Wodór jest nie tylko najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem we wszechświecie, ale także najprostszym, ponieważ atom wodoru zawiera tylko jeden proton i elektron. Ale cel z czystego wodoru nie byłby wystarczająco gęsty, aby wystarczająca liczba neutrin mogła oddziaływać z atomami.
„Wykonujemy„ chemiczną sztuczkę ”, że tak powiem, wiążąc wodór w cząsteczki węglowodoru, które umożliwiają wykrywanie cząstek subatomowych” – mówi McFarland.
Grupa MINERvA przeprowadziła swoje eksperymenty przy użyciu akceleratora cząstek o dużej mocy i energii, znajdującego się w Fermilab. Akcelerator wytwarza najsilniejsze źródło wysokoenergetycznych neutrin na planecie.
Badacze uderzyli wiązką neutrin w swój detektor zbudowany z atomów wodoru i węgla i zarejestrowali dane z prawie dziewięciu lat pracy.
Aby wyodrębnić tylko informacje z atomów wodoru, naukowcy musieli następnie odjąć „szum” tła od atomów węgla.
„Wodór i węgiel są ze sobą związane chemicznie, więc detektor widzi interakcje obu jednocześnie” – mówi Cai. „Zdałem sobie sprawę, że technika, której używałem do badania interakcji na węglu, może być również wykorzystana do zobaczenia samego wodoru po odjęciu interakcji węgla. Dużą częścią naszej pracy było odjęcie bardzo dużego tła od neutrin rozpraszających się na protonach w jądro węgla”.
Mówi Deborah Harris, profesor na York University i współrzecznik MINERvA: „Kiedy zaproponowaliśmy MINERvA, nigdy nie myśleliśmy, że będziemy w stanie uzyskać pomiary z wodoru w detektorze. Wykonanie tej pracy wymagało od detektora doskonałej wydajności , twórczą analizę naukowców i lata kierowania akceleratorem w firmie Fermilab.
Niemożliwe staje się możliwe
Również McFarland początkowo sądził, że użycie neutrin do precyzyjnego pomiaru sygnału z protonów byłoby prawie niemożliwe.
„Kiedy Tejin i nasz kolega Arie Bodek (profesor fizyki George’a E. Pake’a w Rochester) po raz pierwszy zasugerowali wykonanie tej analizy, pomyślałem, że będzie to zbyt trudne” – mówi McFarland. „Ale stary pogląd na protony został bardzo dokładnie zbadany, więc zdecydowaliśmy się wypróbować tę technikę, aby uzyskać nowy pogląd – i zadziałało”.
Cai mówi, że zbiorowa wiedza naukowców MINERvA i współpraca w ramach grupy były niezbędne do przeprowadzenia badań.
„Wyniki analizy i opracowane nowe techniki podkreślają znaczenie kreatywności i współpracy w zrozumieniu danych” – mówi. „Chociaż wiele elementów do analizy już istniało, połączenie ich we właściwy sposób naprawdę zrobiło różnicę, a nie można tego zrobić bez ekspertów o różnym zapleczu technicznym, dzielących się swoją wiedzą, aby eksperyment zakończył się sukcesem”.
Oprócz dostarczenia większej ilości informacji o wspólnej materii, z której składa się wszechświat, badania są ważne dla przewidywania interakcji neutrin dla innych eksperymentów, które próbują zmierzyć właściwości neutrin. Eksperymenty te obejmują Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), detektor neutrin Imaging Cosmic And Rare Underground Signals (ICARUS) oraz eksperymenty T2K z neutrinami, w które zaangażowany jest McFarland i jego grupa.
„Potrzebujemy szczegółowych informacji o protonach, aby odpowiedzieć na pytania, które neutrina mają większą masę niż inne i czy istnieją różnice między neutrinami a ich partnerami z antymaterii” – mówi Cai. „Nasza praca to krok naprzód w udzielaniu odpowiedzi na fundamentalne pytania dotyczące fizyki neutrin, które są celem tych dużych projektów naukowych w najbliższej przyszłości”.