“幽灵”中微子为十大网赌靠谱网址平台质子提供了新的途径
罗彻斯特大学的十大网赌靠谱网址平台人员利用费米实验室的粒子加速器(部分装置如图所示)制造出一束中微子来十大网赌靠谱网址平台质子的结构. 这项工作是密涅瓦实验的一部分，密涅瓦是一个十大网赌靠谱网址平台中微子的国际合作项目. (图片来源:Reidar Hahn/费米实验室)科学家们发现了一种利用中微子十大网赌靠谱网址平台质子结构的新方法, 被称为“鬼粒子”.’
中微子是我们宇宙中最丰富的粒子之一, 但众所周知，它们很难被探测和十大网赌靠谱网址平台:它们没有电荷，也几乎没有质量. 它们通常被称为“幽灵粒子”，因为它们很少与原子相互作用.
而是因为它们太丰富了, 它们在帮助科学家回答有关宇宙的基本问题方面发挥了重要作用.
In 开创性的十大网赌靠谱网址平台 中描述的 自然由十大网赌靠谱网址平台人员领导 十大网赌靠谱网址平台-来自国际合作的科学家 密涅瓦 第一次在费米国家加速器实验室使用了一束中微子，还是 费米实验室来十大网赌靠谱网址平台质子的结构.
密涅瓦是一个十大网赌靠谱网址平台中微子的实验，十大网赌靠谱网址平台人员并没有开始十大网赌靠谱网址平台质子. 但是他们的壮举, 曾经认为不可能, 为科学家提供了一种观察原子核小组成部分的新方法.
关于密涅瓦
minerva -十大网赌靠谱网址平台ν-A相互作用的主注入中微子实验-是一个十大网赌靠谱网址平台中微子的粒子物理实验. 位于巴达维亚费米国家加速器实验室地下100米(约328英尺), 伊利诺斯州, 密涅瓦被设计用来测量与各种各样的材料相互作用的中微子. 这是第一个使用高强度中微子束同时十大网赌靠谱网址平台多种原子核上的中微子相互作用的实验, 从氦到铅.
这项实验是由来自9个国家24个机构的近70名科学家进行的国际合作.
密涅瓦提供了前所未有的关于原子核结构和影响中微子相互作用的力的动力学的数据. 这些信息对于帮助科学家解开粒子物理学的一些最大谜团非常重要, 包括宇宙中物质是如何支配反物质的, 允许行星和生命的形成.
“当时我们正在十大网赌靠谱网址平台中微子，作为密涅瓦实验的一部分, 我意识到我正在使用的一种技术可能被用于十大网赌靠谱网址平台质子,Tejin 蔡说, 论文的第一作者. 蔡, 现在是约克大学的博士后十大网赌靠谱网址平台员, 作为博士十大网赌靠谱网址平台生进行了这项十大网赌靠谱网址平台 凯文·麦克法兰博士. 朱棣文，十大网赌靠谱网址平台物理学教授，十大网赌靠谱网址平台物理学教授 中微子集团. “一开始我们不确定这是否可行, 但我们最终发现，我们可以用中微子来测量构成原子核的质子的大小和形状. 这就像用鬼尺来测量一样.”
用粒子束来测量质子
原子, 以及组成原子核的质子和中子, 它们太小了，以至于十大网赌靠谱网址平台人员很难直接测量它们. 而不是, 他们通过一束高能粒子轰击原子，建立了一个原子组成部分的形状和结构的图像. 然后，他们测量粒子从原子组成部分反弹的距离和角度.
想象一下，例如，向一个盒子扔弹珠. 弹珠会以一定角度从盒子上弹开, 使您能够确定盒子的位置，并确定它的大小和形状，即使盒子对您不可见.
“这是一种非常间接的测量方法, 但是它允许我们把一个对象的结构联系起来——在这个例子中, 一个质子和我们在不同角度看到的偏转数,麦克法兰说.
中微子束能告诉我们什么?
十大网赌靠谱网址平台人员在20世纪50年代首次测量了质子的大小, 使用斯坦福大学直线加速器设施的电子束加速器. 但不是使用加速电子束, 蔡开发的新技术, 麦克法兰, 以及他们的同事, 使用中微子束.
而新技术并不能产生比旧技术更清晰的图像, 麦克法兰说, 它可能会给科学家提供关于中微子和质子如何相互作用的新信息，而这些信息目前只能通过理论计算或理论与其他测量相结合来推断.
在新旧技术的比较中, 麦克法兰把这个过程比作看一朵正常的花, 然后在紫外线下观察花朵.
“你看的是同一朵花, 但是你可以在不同的光线下看到不同的结构,麦克法兰说. “我们的图像并不更精确，但中微子测量为我们提供了不同的视角.”
具体地说, 他们希望利用这项技术将质子上的中微子散射效应与原子核上的中微子散射效应分离开来, 哪些是质子和中子的束缚集合.
“我们以前预测质子中微子散射的方法都是使用理论计算的, 但这个结果直接测量了散射,蔡说.
麦克法兰说, “通过使用我们的新测量方法来提高我们对这些核效应的理解, 我们将能够更好地进行中微子性质的未来测量.”
中微子实验的技术挑战
当原子核聚集或分裂时，就会产生中微子. 太阳是中微子的一大来源，而中微子是太阳核聚变的副产品. 如果你站在阳光下, 例如, 每秒钟都有数万亿的中微子无害地穿过你的身体.
尽管中微子在宇宙中比电子更丰富, 科学家们很难在实验中大量利用它们:中微子像幽灵一样穿过物质, 而电子与物质的相互作用要频繁得多.
“在一年的时间里, 平均, 每秒钟穿过你身体的数万亿个中微子中，只有一个或两个中微子之间会发生相互作用,蔡说. “在我们的实验中有一个巨大的技术挑战，因为我们必须获得足够的质子来观察, 我们必须弄清楚如何让足够的中微子通过质子的大集合.”
中微子探测器的“化学把戏”
十大网赌靠谱网址平台人员通过使用含有氢和碳原子目标的中微子探测器解决了这个问题. 通常，十大网赌靠谱网址平台人员在实验中只使用氢原子来测量质子. 氢不仅是宇宙中最丰富的元素, 它也是最简单的, 因为氢原子只包含一个质子和一个电子. 但纯氢的目标密度不足以让足够多的中微子与原子相互作用.
“我们正在表演一种‘化学把戏’。, 可以这么说, 通过将氢与碳氢化合物分子结合，使其能够探测亚原子粒子,麦克法兰说.
密涅瓦小组使用高功率进行了实验, 高能粒子加速器, 位于费米实验室. 加速器产生了地球上最强的高能中微子源.
十大网赌靠谱网址平台人员用中微子束撞击由氢和碳原子组成的探测器，并记录了近9年的运行数据.
只从氢原子中分离出信息, 然后，十大网赌靠谱网址平台人员必须从碳原子中减去背景“噪音”.
“氢和碳是化学结合在一起的, 所以探测器可以同时看到两者的相互作用,蔡说. “我意识到，一旦你减去碳的相互作用，我用来十大网赌靠谱网址平台碳相互作用的技术也可以用来观察氢本身. 我们工作的很大一部分就是从散射在碳核质子上的中微子中减去非常大的背景.”
黛博拉·哈里斯说, 约克大学教授，密涅瓦联合发言人, “当我们提出密涅瓦时, 我们从没想过我们能从探测器里的氢中提取测量值. 完成这项工作需要探测器的出色性能, 来自科学家的创造性分析, 以及在费米实验室运行加速器多年的经验.
不可能变成可能
麦克法兰, 太, 最初认为用中微子来精确测量质子发出的信号几乎是不可能的.
“当Tejin和我们的同事Arie Bodek (George E. 帕克(十大网赌靠谱网址平台物理学教授)首先建议尝试这种分析, 我以为这太难了,麦克法兰说. “但关于质子的旧观点已经得到了非常彻底的探索, 因此，我们决定尝试这种技术，以获得一个新的视图-它奏效了.”
密涅瓦科学家的集体专业知识和团队内部的合作对于完成这项十大网赌靠谱网址平台至关重要, 蔡说.
“分析结果和开发的新技术突出了在理解数据方面具有创造性和协作性的重要性,他说. “虽然分析的许多组件已经存在, 把它们以正确的方式组合在一起真的很重要, 如果没有不同技术背景的专家分享他们的知识，就无法做到这一点，从而使实验取得成功.”
除了提供更多关于构成宇宙的普通物质的信息, 这项十大网赌靠谱网址平台对于预测中微子相互作用对于其他试图测量中微子性质的实验很重要. 这些实验包括 深地下中微子实验(DUNE), 宇宙和稀有地下信号成像(ICARUS) 中微子探测器，和 T2K 麦克法兰和他的团队参与的中微子实验.
“我们需要关于质子的详细信息来回答一些问题，比如哪些中微子比其他中微子质量更大，中微子和它们的反物质伙伴之间是否存在差异,蔡说. “我们的工作在回答中微子物理学的基本问题方面向前迈进了一步，这些问题是不久的将来这些大型科学项目的目标.”
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类别: 科学 & 技术