На изображениях римской богини мудрости Минервы она изображена в развевающихся одеждах, в изящном боевом шлеме и с совой в руках. В противоположность этому образу эксперимент MINERvA задействует огромный детектор частиц, на передней панели которого написаны имена ученых, которые совместно проводят этот эксперимент. Хотя этот нейтринный эксперимент совершенно не соответствует указанному внешнему образу, он, как и персонаж, в честь которого он был назван, несет в себе глубокую мысль для ученых. Среди множества возможных вариантов названия ученые использовали MINERvA для лучшего понимания размеров и структуры протонов, которые являются одним из строительных блоков атомов.
MINERvA – это эксперимент по рассеянию нейтрино в Лаборатории Фермилаб Министерства энергетики США. Нейтрино – это крошечные электрически нейтральные частицы, которых невероятно много. Солнце, другие звезды и многие другие объекты производят их в результате ядерных реакций. На самом деле во Вселенной нейтрино больше, чем любых других частиц, имеющих массу! Несмотря на повсеместное распространение нейтрино, мы никогда не замечаем их, потому что они почти никогда ни с чем не реагируют. Изучение нейтрино важно для понимания того, как наша Вселенная формировалась в прошлом и функционирует сейчас.
Чтобы лучше понять эту элементарную частицу, ученые изучают, как нейтрино взаимодействуют с материалами в тех редких случаях, когда они действительно вступают во взаимодействие. Миссия MINERvA заключается в том, чтобы зафиксировать случаи таких взаимодействий. В ходе эксперимента используется пучок нейтрино высокой интенсивности для изучения того, как они взаимодействуют с ядрами пяти различных элементов. Заставив нейтрино поражать цели, сделанные из разных материалов – воды, гелия, углерода, железа, свинца и пластика, – ученые могут сравнить возникающие в результате реакции. Представление различных взаимодействий поможет ученым проанализировать результаты других экспериментов, таких как предстоящий эксперимент с нейтрино глубоко под землей.
В дополнение к этой цели ученые из коллаборации MINERvA придумали еще одно рациональное применение своим данным – исследовать размеры и структуру протона.
Наряду с нейтронами протоны входят в состав ядер атомов, из которых состоим мы и все, что нас окружает. Они являются одним из строительных блоков материи, с которой мы взаимодействуем каждый день.
Но изучение элементарных частиц намного сложнее изучения более крупных объектов. Элементарные частицы слишком малы, чтобы их можно было изучать с помощью обычных инструментов, таких как микроскопы. Кроме того, размер элементарной частицы не имеет того же значения, что размер предмета, который можно измерить линейкой. Вместо этого ученые изучают силы, совместно удерживающие протон.
В прошлом ученые измеряли размеры протона с помощью электромагнитных сил. Электромагнетизм – одна из четырех фундаментальных сил Вселенной. Магнитные поля, электрические поля и даже свет подпадают под действие электромагнитных сил. Электромагнетизм связывает электроны с ядром (состоящим из протонов и нейтронов) атома. Он также частично отвечает за структуру ядра.
Чтобы составить представление о размерах протона, ученые обычно использовали радиус электрического заряда. Это средний радиус электрического заряда, распределенного в протоне. Чтобы измерить эту характеристику, ученые направляют на мишень луч электронов одной и той же энергии. Электроны отлетают от протонов в самых разных направлениях и с разными энергиями, что дает ученым информацию о внутренней структуре протонов. Используя этот метод, ученые смогли очень точно измерить размер среднего радиуса электрического заряда протона и, следовательно, кварков, обеспечивающих электрический заряд.
Коллаборация MINERvA под руководством Теджина Цая (который в то время был аспирантом Рочестерского университета) использовала другой подход. Идея заключалась в том, чтобы использовать антинейтрино – двойника нейтрино из антиматерии – для изучения протонов. Поскольку нейтрино (и антинейтрино) не имеют заряда, они не будут взаимодействовать под действием электромагнитной силы. Вместо этого нейтрино будут взаимодействовать через слабое взаимодействие протонов. Слабое взаимодействие и гравитация – единственные два способа взаимодействия нейтрино с чем-либо.
Несмотря на свое название, слабое взаимодействие является сильным. Это еще одна из указанных четырех основных сил, обеспечивающая процесс, посредством которого протоны превращаются в нейтроны или наоборот. Именно эти процессы управляют ядерными реакциями Солнца и других звезд. Нейтрино предлагают уникальный инструмент для изучения слабого взаимодействия.
Но слабое взаимодействие проявляется только тогда, когда частицы расположены очень близко друг к другу. Когда нейтрино находятся в космосе, они обычно движутся через (сравнительно) обширные пространства между электронами и ядром атома. В большинстве случаев нейтрино просто не находятся достаточно близко к протонам, чтобы они могли взаимодействовать посредством слабого взаимодействия. Чтобы получить достаточно данных, ученым необходимо выстрелить в мишень огромным количеством нейтрино или антинейтрино.
Мощный нейтринный луч MINERvA и разнообразные мишени сделали достижение этой цели возможным. В идеальном мире ученые направляли бы нейтрино на мишень, состоящую только из нейтронов, или антинейтрино на мишень, состоящую только из протонов. Таким образом, ученые смогли бы получить наиболее точные измерения. К сожалению, это не очень реалистичная экспериментальная модель.
Однако MINERvA уже представляет собой лучшую модель из существующих, благодаря наличию множества антинейтрино и мишени из полистирола. Материал, из которого изготовлен пенополистирол Styrofoam, состоит из водородных связей с углеродом. Используя эту мишень, ученые смогут измерить, как антинейтрино взаимодействуют как с водородом, так и с углеродом.
Чтобы отделить водород от углерода, ученые применили подход, аналогичный фотографированию, а затем удалению фона, чтобы можно было сосредоточить внимание лишь на нескольких объектах. Чтобы определить эти фоновые нейтрино-углеродные взаимодействия, ученые изучили нейтроны. Когда антинейтрино взаимодействуют с протонами в углероде или с одиночными протонами водорода, они производят нейтроны. Отслеживая нейтроны, ученые могли бы работать в обратном направлении, чтобы идентифицировать и исключить взаимодействия «углерод-антинейтрино» из взаимодействий «водород-антинейтрино».
Получение необходимого количества взаимодействий помогло подтвердить возможности MINERvA. За три года ученые зафиксировали более миллиона взаимодействий антинейтрино с другими частицами. Лишь 5 000 из них были взаимодействиями с водородом.
Эти данные, в конечном итоге, позволили ученым вычислить размер протона с помощью нейтрино. Вместо радиуса электрического заряда они рассчитали радиус слабого заряда протона. Это был впервые, когда ученые использовали нейтрино для статистически значимого измерения этой характеристики. Учитывая неопределенности, результат был очень близок к предыдущим измерениям радиуса электрического заряда протона. Поскольку в основе этого метода лежит измерение пространственного распределения кварков и глюонов, составляющих протон, ожидалось, что значение будет сходным.
Этот новый метод дает ученым еще один инструмент в их арсенале для изучения структуры протона. Это свидетельство обретения знаний, когда ученые творчески подходят к использованию существующих экспериментов для изучения новых областей исследований.