Специалистам по физике частиц впервые удалось точно измерить размер и структуру протона при помощи нейтрино. Новый метод изучения протонов был опробован в рамках проекта MINERvA – эксперимента из области физики частиц, проведённого в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (Фермилаб) при Министерстве энергетики США. Результаты эксперимента были опубликованы в журнале Nature.

Это стала важной вехой в деле анализа данных, которые планируется собирать при изучении свойств нейтрино, в экспериментах, работающих с высокой точностью измерения – в частности, в планируемом эксперименте Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), который также готовят в Фермилаб.

По словам Бонни Флеминг, заместителя директора Фермилаб по науке и технологиям, «эксперимент MINERvA дал нам новый способ изучить и понять структуру протона, что чрезвычайно важно как для понимания строительных кирпичиков материи, так и для наших возможностей интерпретировать результаты знакового эксперимента DUNE, к которому мы стремимся».

Протоны и нейтроны – частицы, формирующие ядро атома. Чтобы в деталях понимать взаимодействие элементарных частиц, крайне необходимо разбираться в размерах и структурах протонов и нейтронов. Естественно, такие мелкие частицы (диаметр протона составляет порядка 10^-15) невозможно «увидеть» и вообще изучить при помощи видимого света. Учёные разгоняют различные частицы в акселераторах до сверхвысоких энергий, после чего их длины волн уменьшаются настолько, что становится возможным изучать и подобные масштабы.

С 1950-х годов учёные использовали для изучения размеров и структуры протона электроны. Электроны несут электрический заряд, и потому взаимодействуют с электромагнитным полем, распределённым внутри протона. Если направить луч из разогнанных электронов в мишень, содержащую кучу атомов, можно понаблюдать за тем, как электроны взаимодействуют с протонами, и сделать на этом основании вывод о распределении электромагнитных сил внутри протона. Постепенно увеличивая точность экспериментов, физики смогли измерить радиус электрического заряда протона с точностью до 0,877 фемтометров.

В эксперименте MINERvA был достигнут новый, прорывной результат благодаря использованию вместо электронов других элементарных частиц – нейтрино, а точнее – антинейтрино. У нейтрино и антинейтрино нет электрического заряда, они взаимодействуют с другими частицами только благодаря слабому взаимодействию. В результате они реагируют на распределение слабого заряда внутри протона.

Однако нейтрино и антинейтрино взаимодействуют с протонами редко. Чтобы получить достаточно примеров рассеяния частиц и собрать достаточно данных, учёным из MINERvA нужно было запустить очень большое количество антинейтрино в очень большое количество протонов.

Но в Фермилаб находятся самые мощные в мире установки по производству нейтринных лучей высоких энергий. А в мишени MINERvA содержалось множество протонов. Эксперимент проводили на глубине в 100 м под землёй на территории Фермилаб, расположенной в городе Батавия штата Иллинойс. Эксперимент MINERvA был разработан так, чтобы проводить высокоточные измерения взаимодействия нейтрино с различными материалами, в частности, с углеродом, свинцом и пластиком.

Чтобы изучить структуру протона и измерить её параметры с высокой точностью, учёным хотелось бы отправить луч нейтрино и антинейтрино в очень плотную мишень, состоящую исключительно из атомов водорода, ядро которых состоит из протона и не содержит нейтронов. Однако в реальном эксперименте это практически невозможно сделать. Вместо этого в детекторе MINERvA водород связан с углеродом, находящимся в составе пластика полистирол. До этого ещё никто не пробовал разделять данные о столкновениях с водородом и данные о столкновениях с углеродом.

Как говорит Тейджин Кай, постдок из Йоркского университета и ведущий автор научной работы, «если бы мы не были оптимистами, мы бы сказали, что это невозможно». Кай участвовал в эксперименте в рамках написания докторской диссертации в Рочестерском университете.

Водород и углерод связаны друг с другом химическими связями, поэтому детектор регистрирует взаимодействия с обоими типами частиц. Учёные поняли, что те же самые ядерные эффекты, что делают разбор рассеяния нейтрино на углероде сложным делом, одновременно позволяют отделить данные по рассеянию на водороде, и вычесть таким образом взаимодействия с углеродом.

Кай и Арии Бодек, профессор из Рочестерского университета, предложили референту Кая, Кевину Макфарланду, использовать в эксперименте MINERvA полистироловую мишень для измерения рассеяния с протонов в водороде и углероде. Вместе они разработали компьютерные алгоритмы, позволяющие вычитать углеродный «шум», отсекая нейтроны, порождённые антинейтрино, рассеивающимися на атомах углерода.

«Когда Тейджин и Арии предложили попробовать такой анализ, я решил, что это будет слишком сложно, и не вдохновился их предложением. Но Тейджин упорно продолжал работать над этим и доказал, что это возможно, — говорит Макфарланд, профессор из Рочестерского университета. – Одна из лучших сторон работы учителя – иметь ученика, который в какой-то момент узнаёт столько всего нового, что может доказать тебе, что ты был неправ».

Кай с коллегами использовали MINERvA для записи более миллиона взаимодействия антинейтрино с протонами на протяжении трёх лет. 5000 из этих записанных случаев было отнесено на счёт взаимодействия нейтрино с водородом.

Исходя из полученных данных, они вычислили радиус слабого заряда протона, который составил 0,73 ± 0,17 фемтометров. Это первое статистически значимое измерение этого радиуса при помощи нейтрино. В пределах погрешности результат совпадает с радиусом электрического заряда, измеренным при помощи рассеяния электронов.

Результаты эксперимента говорят о том, что физики могут использовать эту технику рассеяния нейтрино, чтобы посмотреть на протон под новым углом. Также результаты позволяют нам лучше понять структуру протона, что можно использовать для предсказания поведения групп протонов в атомном ядре. Опираясь на лучшие измерения взаимодействий нейтрино с протонами, физики смогут строить лучшие модели поведения элементарных частиц. В итоге улучшатся результаты и других экспериментов – например, NOvA в Фермилаб или японского T2K.

Кай считает, что этот результат примечателен ещё и тем, что даже с обыкновенным детектором частиц можно достичь того, о чём раньше учёные и не подозревали.

Представитель коллаборации MINERvA Дебора Харрис говорит: «Когда мы предлагали проект эксперимента MINERvA, мы и не предполагали, что сможем извлечь данные по рассеянию на водороде. Для достижения такого результата требуется отличная работа детектора, творческий подход к анализу идей и многолетняя работа с самым высокоэнергетическим лучом нейтрино на планете».