Rochester Üniversitesi liderliğindeki uluslararası bir bilim insanı işbirliği olan MINERvA, protonların yapısını incelemek için nötrinoları kullanarak tarih yazdı. Bu çığır açan araştırma Nature dergisinde yayınlandı ve Fermi Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı’nda yürütüldü.
Bilim adamları, “hayalet” olarak bilinen nötrinoları kullanarak protonların yapısını araştırmanın yeni bir yolunu keşfettiler. parçacıklar.’
Nötrinolar, evrenimizdeki en bol parçacıklardan biridir, ancak tespit edilmeleri ve üzerinde çalışılmaları herkesin bildiği gibi zordur: elektrik yükleri yoktur ve neredeyse hiç kütleleri yoktur. Atomlarla nadiren etkileşime girdikleri için genellikle “hayalet parçacıklar” olarak anılırlar.
Fakat çok bol oldukları için bilim adamlarının evrenle ilgili temel soruları yanıtlamalarına yardımcı olmada büyük rol oynarlar.
{6 }Rochester Üniversitesi’nden araştırmacılar tarafından yönetilen Nature dergisinde açıklanan çığır açan araştırmada, uluslararası işbirliği MINERvA‘dan bilim adamları ilk kez Fermi Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı’nda bir nötrino ışını kullandılar. veya Fermilab, protonların yapısını araştırmak için.
Rochester Üniversitesi araştırmacıları da dahil olmak üzere uluslararası MINERvA işbirliğinin üyeleri, Fermilab’da bir parçacık hızlandırıcı kullandı; yukarıdaki stilize görüntü – protonların yapısını araştırmak için bir nötrino ışını oluşturmak için. Çalışma, nötrinoları incelemek için bir parçacık fiziği deneyi olan MINERvA deneyinin bir parçasıydı. Kredi: Reidar Hahn/Fermilab
MINERvA, nötrinoları incelemek için bir deneydir ve araştırmacılar protonları incelemek için yola çıkmadılar. Ancak bir zamanlar imkansız olduğu düşünülen başarıları, bilim insanlarına bir atom çekirdeğinin küçük bileşenlerine yeni bir bakış açısı sunuyor.
MINERvA—Ana Enjektör Nötrino Deneyi Study ν-A etkileşimleri—nötrinoları incelemek için bir parçacık fiziği deneyidir. Batavia, Illinois’deki Fermi Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı’nda yerin 100 metre (yaklaşık 328 fit) altında bulunan MINERvA, çok çeşitli malzemelerle etkileşime giren nötrinoların ölçümlerini yapmak üzere tasarlanmıştır. Bu, helyumdan kurşuna kadar çok çeşitli atom çekirdeği üzerindeki nötrino etkileşimlerini aynı anda incelemek için yüksek yoğunluklu bir nötrino ışını kullanan ilk deneydir.
Deney, ABD’den yaklaşık 70 bilim insanının uluslararası işbirliğiyle yürütülüyor. 24 kurum ve dokuz ülke.
MINERvA, bir atom çekirdeğinin yapısı ve nötrino etkileşimlerini etkileyen kuvvetlerin dinamikleri hakkında benzeri görülmemiş veriler sağlar. Bu bilgi, bilim adamlarının parçacık fiziğinin en büyük gizemlerinden bazılarını çözmelerine yardımcı olması açısından önemlidir; buna, maddenin evrendeki anti-maddeye nasıl hakim olduğu, gezegenlerin ve yaşamın oluşumuna nasıl izin verdiği dahildir.
{6 }”MINERvA deneyinin bir parçası olarak nötrinoları incelerken, kullandığım bir tekniğin protonları araştırmak için uygulanabileceğini fark ettim” diyor makalenin ilk yazarı Tejin Cai. Şu anda York Üniversitesi’nde doktora sonrası araştırma görevlisi olan Cai, araştırmayı Kevin McFarland’ın doktora öğrencisi, Rochester’daki Dr. Steven Chu Fizik Profesörü ve Üniversitenin Neutrino Grubunun kilit üyesi olarak yürüttü. “İlk başta işe yarayıp yaramayacağından emin değildik, ancak sonunda nötrinoları atomların çekirdeğini oluşturan protonların boyutunu ve şeklini ölçmek için kullanabileceğimizi keşfettik. Ölçüm yapmak için hayalet bir cetvel kullanmak gibi.”
Protonları ölçmek için parçacık ışınlarını kullanmak
Atomlar ve bir atomun çekirdeğini oluşturan protonlar ve nötronlar o kadar küçüktür ki araştırmacılar, onları doğrudan ölçmek zor bir zaman. Bunun yerine, atomları yüksek enerjili parçacıklardan oluşan bir ışınla bombardıman ederek bir atomun bileşenlerinin şeklinin ve yapısının bir resmini oluştururlar. Ardından, parçacıkların atomun bileşenlerinden ne kadar uzakta ve hangi açılarda sekteye uğradığını ölçerler.
Örneğin, bir kutuya bilye attığınızı hayal edin. Bilyeler kutudan belirli açılarda sekerek, kutuyu görmeseniz bile kutunun nerede olduğunu, boyutunu ve şeklini belirlemenizi sağlar.
“Bu çok dolaylı bir ancak bir nesnenin (bu durumda bir protonun) yapısını, farklı açılarda kaç sapma gördüğümüzle ilişkilendirmemize olanak tanıyor,” diyor McFarland.
Nötrino ışınları bize ne söyleyebilir? ?
Araştırmacılar protonların boyutunu ilk kez 1950’lerde Stanford Üniversitesi’nin doğrusal hızlandırıcı tesisinde elektron ışınlı bir hızlandırıcı kullanarak ölçtüler.”Görüntümüz daha kesin değil, ancak nötrino ölçümü bize farklı bir görüş sağlıyor.”
Tekniği özellikle, protonlar üzerindeki nötrino saçılımıyla ilgili etkileri, ilgili etkilerden ayırmak için kullanmayı umuyorlar. proton ve nötronların bağlı toplulukları olan atom çekirdeği üzerindeki nötrino saçılımına.
“Protonlardan nötrino saçılımını tahmin etmeye yönelik önceki yöntemlerimizin tümü teorik hesaplamalar kullanıyordu, ancak bu sonuç doğrudan bu saçılmayı ölçer,” diyor Cai.{ 1}
McFarland, “Bu nükleer etkilere ilişkin anlayışımızı geliştirmek için yeni ölçümümüzü kullanarak, nötrino özelliklerinin gelecekteki ölçümlerini daha iyi yapabileceğiz.”
Nükleer özelliklerle deney yapmanın teknik zorluğu nötrinolar
Nötrinolar, atom çekirdekleri bir araya geldiğinde veya parçalandığında oluşur. Güneş, güneşin nükleer füzyonunun bir yan ürünü olan büyük bir nötrino kaynağıdır. Örneğin, güneş ışığında durursanız, trilyonlarca nötrino zararsız bir şekilde her saniye vücudunuzdan geçer.
Nötrinolar evrende elektronlardan daha fazla olsa da, bilim adamlarının onları deneysel olarak kontrol altında tutması daha zordur. büyük sayılar: nötrinolar maddenin içinden hayalet gibi geçerken, elektronlar maddeyle çok daha sık etkileşime girer.
“Bir yıl boyunca, ortalama olarak, trilyonlarca nötrinodan yalnızca bir veya ikisi arasında etkileşim olur her saniye vücudunuzdan geçenler, ”diyor Cai. “Deneylerimizde, bakmak için yeterli protonu elde etmemiz ve bu büyük proton topluluğundan yeterince nötrinoyu nasıl elde edeceğimizi bulmamız gerektiği konusunda çok büyük bir teknik zorluk var.”
Bir nötrino detektörü, bir “kimyasal numara”
Araştırmacılar, hem hidrojen hem de karbon atomlarından oluşan bir hedef içeren bir nötrino detektörü kullanarak bu sorunu kısmen çözdüler. Tipik olarak araştırmacılar, protonları ölçmek için deneylerde yalnızca hidrojen atomlarını kullanırlar. Hidrojen evrendeki en bol element olmasının yanı sıra, hidrojen atomu yalnızca tek bir proton ve elektron içerdiğinden, aynı zamanda en basit elementtir. Ancak saf hidrojen hedefi, yeterince nötrinonun atomlarla etkileşime girmesi için yeterince yoğun olmayacaktır.
“Biz, tabiri caizse, hidrojeni hidrokarbon moleküllerine bağlayarak ‘kimyasal bir numara’ yapıyoruz. atom altı parçacıkları tespit edebilmesini sağlıyor,” diyor McFarland.
MINERvA grubu, deneylerini Fermilab’da bulunan yüksek güçlü, yüksek enerjili bir parçacık hızlandırıcı kullanarak gerçekleştirdi. Hızlandırıcı, gezegendeki en güçlü yüksek enerjili nötrino kaynağını üretir.
Araştırmacılar, hidrojen ve karbon atomlarından oluşan dedektörlerini nötrino ışını ile vurdular ve yaklaşık dokuz yıllık çalışma süresi boyunca verileri kaydettiler.
Araştırmacılar, yalnızca hidrojen atomlarından gelen bilgileri izole etmek için karbon atomlarından arka plandaki “gürültüyü” çıkarmak zorunda kaldı.
“Hidrojen ve karbon birbirine kimyasal olarak bağlıdır, bu nedenle detektör etkileşimleri görür her ikisinde de aynı anda,” diyor Cai. “Karbon üzerindeki etkileşimleri incelemek için kullandığım bir tekniğin, karbon etkileşimlerini çıkardığınızda hidrojeni tek başına görmek için de kullanılabileceğini fark ettim. İşimizin büyük bir kısmı, çok geniş arka planı karbon çekirdeğindeki protonların üzerine saçılan nötrinolardan çıkarmaktı.”
York Üniversitesi’nde profesör ve MINERvA’nın eş sözcüsü Deborah Harris şöyle diyor: “Biz önerilen MINERvA ile, dedektördeki hidrojenden ölçümler çıkarabileceğimizi hiç düşünmemiştik. Bu işi yapmak, dedektörün harika performansını, bilim adamlarının yaratıcı analizlerini ve Fermilab’da hızlandırıcıyı yıllarca çalıştırmayı gerektirdi.
İmkansız mümkün olur
McFarland da başlangıçta bunun olacağını düşündü Protonlardan gelen sinyali tam olarak ölçmek için nötrinoları kullanmak neredeyse imkansız.
“Tejin ve meslektaşımız Arie Bodek (Rochester’da George E. Pake Fizik Profesörü) ilk kez bu analizi denemeyi önerdiğinde, düşündüm ki, çok zor olurdu,” diyor McFarland. “Fakat protonlara ilişkin eski görüş kapsamlı bir şekilde araştırıldı, bu nedenle yeni bir görüş elde etmek için bu tekniği denemeye karar verdik ve işe yaradı.”
MINERvA bilim adamlarının ortak uzmanlığı ve grup içindeki işbirliği, Cai, araştırmayı gerçekleştirmede çok önemli olduğunu söylüyor.
“Analizin sonucu ve geliştirilen yeni teknikler, verileri anlamada yaratıcı ve işbirliğine dayalı olmanın önemini vurguluyor” diyor. “Analiz için pek çok bileşen zaten mevcut olsa da, bunları doğru şekilde bir araya getirmek gerçekten bir fark yarattı ve bu, deneyin başarılı olması için bilgilerini paylaşan farklı teknik geçmişlere sahip uzmanlar olmadan yapılamaz.”
Araştırma, evreni oluşturan ortak madde hakkında daha fazla bilgi sağlamanın yanı sıra, nötrinoların özelliklerini ölçmeye çalışan diğer deneyler için nötrino etkileşimlerini tahmin etmek açısından da önemlidir.”Çalışmamız, yakın gelecekte bu büyük bilim projelerinin hedefi olan nötrino fiziği hakkındaki temel soruları yanıtlamada bir adım ileriye gidiyor.”
Referans: “Antinötrino-protondan eksenel vektör form faktörünün ölçümü saçılma” yazan T. Cai, M. L. Moore, A. Olivier, S. Akhter, Z. Ahmad Dar, V. Ansari, M. V. Ascencio, A. Bashyal, A. Bercellie, M. Betancourt, A. Bodek, J. L. Bonilla, A Bravar, H. Budd, G. Caceres, M. F. Carneiro, G. A. Díaz, H. da Motta, J. Felix, L. Fields, A. Filkins, R. Fine, A. M. Gago, H. Gallagher, S. M. Gilligan, R. Gran, E. Granados, D. A. Harris, S. Henry, D. Jena, S. Jena, J. Kleykamp, A. Klustová, M. Kordosky, D. Last, T. Le, A. Lozano, X.-G. Lu, E. Maher, S. Manly, W. A. Mann, C. Mauger, K. S. McFarland, B. Messerly, J. Miller, O. Moreno, J. G. Morfín, D. Naples, J. K. Nelson, C. Nguyen, V. Paolone, G. N. Perdue, K.-J. Ploughs, M. A. Ramírez, R. D. Ransome, H. Ray, D. Ruterbories, H. Schellman, C. J. Solano Salinas, H. Su, M. Sultana, V. S. Syrotenko, E. Valencia, N. H. Vaughan, A. V. Waldron, M. O. Wascko, C. Wret, B. Yaeggy ve L. Zazueta, 1 Şubat 2023, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-022-05478-3
.