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中微子是我们宇宙中最丰富的粒子之一，但它们是出了名的难以探测和研究:它们不带电荷，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。
但由于它们的数量非常丰富，它们在帮助科学家回答关于宇宙的基本问题方面发挥着重要作用。
在《自然》杂志上发表的一项开创性研究中——由罗切斯特大学的研究人员领导——来自国际合作项目MINERvA的科学家们首次在费米国家加速器实验室(费米实验室)使用一束中微子来研究质子的结构。
MINERvA是一个研究中微子的实验，研究人员并没有开始研究质子。但他们的壮举，曾经被认为是不可能的，为科学家们提供了一种观察原子核小成分的新方法。
“当我们研究中微子作为MINERvA实验的一部分时，我意识到我使用的一种技术可能适用于研究质子，”论文的第一作者Tejin Cai说。蔡现在是约克大学的博士后研究助理，他是罗切斯特大学物理学教授朱棣文博士和大学中微子小组的主要成员凯文·麦克法兰的博士生，进行了这项研究。“一开始我们不确定它是否可行，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。这就像用一把鬼尺来测量一样。”
用粒子束测量质子
一起差差差很疼大全免费软件下载原子以及构成原子核的质子和中子是如此之小，以至于研究人员很难直接测量它们。相反，他们用高能粒子束轰击原子，从而构建出原子组成部分的形状和结构。然后，他们测量粒子从原子组分中反弹的距离和角度。
想象一下，例如，向一个盒子扔弹珠。弹珠会以一定的角度从盒子上弹开，使你能够确定盒子的位置，并确定它的大小和形状，即使你看不见盒子。
麦克法兰说:“这是一种非常间接的测量方法，但它使我们能够将物体的结构——在这种情况下，质子——与我们在不同角度看到的偏转量联系起来。”
中微子能告诉我们什么?
研究人员第一次测量质子的大小是在20世纪50年代，当时他们在斯坦福大学的线性加速器设备中使用了带有电子束的加速器。但蔡、麦克法兰和他们的同事开发的新技术使用中微子束，而不是使用加速电子束。
麦克法兰说，虽然新技术不能产生比旧技术更清晰的图像，但它可能会给科学家们提供关于中微子和质子如何相互作用的新信息——这些信息目前只能通过理论计算或理论和其他测量的结合来推断。
在比较新技术和旧技术时，麦克法兰把这一过程比作在正常的可见光下观察一朵花，然后在紫外线下观察花。
麦克法兰说:“你在看同一朵花，但在不同的光线下，你能看到不同的结构。”“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。”
具体来说，他们希望利用这项技术将中微子散射对质子的影响与中微子散射对原子核的影响分离开来，原子核是质子和中子的结合集合。
蔡说:“我们之前预测质子散射中微子的方法都使用了理论计算，但这个结果直接测量了散射。”
麦克法兰补充说:“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未来对中微子性质的测量。”
中微子实验的技术挑战
中微子是在原子核聚集或分裂时产生的。太阳是中微子的一大来源，中微子是太阳核聚变的副产品。例如，如果你站在阳光下，每秒钟就会有数万亿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，但科学家们很难在实验上大量利用它们: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。
蔡说:“在一年的时间里，平均来说，每秒钟只有一到两个穿过你身体的万亿中微子之间发生相互作用。”“在我们的实验中有一个巨大的技术挑战，我们必须得到足够多的质子来观察，我们必须弄清楚如何通过大量的质子来获得足够多的中微子。”
使用中微子探测器
研究人员通过使用包含氢和碳原子目标的中微子探测器部分解决了这个问题。一般来说，研究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，也是最简单的元素，因为一个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。
麦克法兰说:“可以这么说，我们正在表演一个‘化学戏法’，通过将氢与碳氢化合物分子结合，使其能够检测亚原子粒子。”
MINERvA小组使用位于费米实验室的大功率高能粒子加速器进行了实验。这个加速器产生了地球上最强的高能中微子源。
研究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。
为了只从氢原子中分离出信息，研究人员必须从碳原子中减去背景“噪音”。
蔡说:“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。”“我意识到，我用来研究碳的相互作用的技术，也可以用来观察氢本身，一旦你减去碳的相互作用。我们工作的很大一部分是减去碳核中质子散射的中微子的非常大的背景。”
约克大学教授、MINERvA联合发言人黛博拉·哈里斯(Deborah Harris)说:“当我们提出MINERvA时，我们从未想过我们能够从探测器中的氢中提取测量值。要做到这一点，需要探测器的卓越性能，科学家们的创造性分析，以及多年来在费米实验室运行“加速器”。
不可能变成可能
麦克法兰最初也认为，用中微子来精确测量来自质子的信号几乎是不可能的。
麦克法兰说:“当Tejin和我们的同事Arie Bodek(罗切斯特大学的George E. Pake物理学教授)第一次建议尝试这种分析时，我认为这太难了。”“但质子的旧观点已经被非常彻底地探索了，所以我们决定尝试这种技术来获得新的观点——而且它奏效了。”
蔡说，MINERvA科学家的含羞草传媒APP官方网站免费进入IOS集体专业知识和团队内部的合作对于完成这项研究至关重要。
他说:“分析的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。”“虽然用于分析的许多组件已经存在，但将它们以正确的方式组合在一起确实会产生影响，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。”
除了提供更多关于组成宇宙的普通物质的信息外，这项研究对于预测中微子相互作用以及其他试图测量中微子性质的实验也很重要。这些实验包括深地下中微子实验(DUNE)，成像宇宙和罕见地下信号(ICARUS)中微子探测器，以及McFarland和他的团队参与的T2K中微子实验。
蔡说:“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大，以及中微子和它们的反物质伙伴之间是否存在差异。”“我们的工作在回答中微子物理学的基本问题方面向前迈出了一步，这些问题是这些大型科学项目在不久的将来的目标。”
