Новости

Пучок антинейтрино измерил аксиально-зарядовый радиус протона

Американские физики совместно с коллегами из коллаборации MINERvA обстреляли водородную мишень с помощью пучков мюонных антинейтрино и таким образом впервые измерили аксиально-векторный форм-фактор протона. Поглощая антинейтрино, протон превращался в нейтрон и антимюон, что фиксировали детекторы. Таким образом ученые выяснили, что среднеквадратичный аксиально-зарядовый радиус протона равен 0,73 фемтометра. Исследование опубликовано в Nature.

Устройство протона — главного «кирпичика» окружающей нас материи — до сих пор весьма интересует физиков. Его изучение сопряжено с трудностями, поскольку размер протона не превышает фемтометра и напрямую увидеть его составные части, кварки и глюоны, невозможно.

Поэтому физики рассеивают на протоне различные частицы. Выбор у них большой, поскольку протон участвует во всех фундаментальных взаимодействиях. То, под какими углами разлетаются частицы и теряют или приобретают импульс, связано с распределением зарядов (электрических, слабых, ароматных и массы) с помощью соответствующих функций — форм-факторов (они же факторы рассеяния). Например, облучение водородных мишеней электронами позволяет извлекать информацию об электромагнитном форм-факторе, а высокоэнергетическими гамма-квантами — о массовом форм-факторе (результаты этих экспериментов периодически входят в противоречие с другими, о чем мы подробно рассказывали в материале «Щель в доспехах»).

Чтобы исследовать распределение слабых токов и зарядов внутри протона, ученые подвергают их воздействию пучков нейтрино (эти частицы участвуют только в слабом взаимодействии). На пути нейтринных пучков устанавливают мишени из легких атомов — обычно пузырьки с дейтерием — и фиксируют превращение нуклонов. Проблема такого подхода в том, что интерпретация результатов требует знания о ядерной структуре, что привносит большие неопределенности. Ситуацию могли бы исправить эксперименты с водородом, но успехи в этом направлении крайне скромные.

Группа физиков из Университета Рочестера под руководством Кевина Макфарланда (Kevin McFarland), объединившись с коллегами из коллаборации MINERvA в Фермилабе, исследовала рассеяние мюонных антинейтрино на водородной мишени, которое сопровождалось превращением протона в пару антимюон-нейтрон. Это позволило им определить аксиально-векторный форм-фактор протона, а затем извлечь из него аксиально-зарядовый радиус этой частицы.

Детектор MINERvA вместе с детектором MINOS MD позволяют фиксировать продукты взаимодействия мюонных антинейтрино со средней энергией 5,4 гигаэлектронвольта с мишенью. В этом эксперименте физики облучали потоком антинейтрино камеру с водородными пузырями. Такой подход хорош еще и тем, превращение протона в нейтрон под действием антинейтрино — это двухчастичная реакция. Если пренебречь кинетикой атома водорода и электрона, реакция определяется только направлением налетающего антинейтрино и полным импульсом антимюона, который возникает в результате взаимодействия антинейтрино с протоном. Это хорошо, поскольку прямое измерение импульса нейтронов в эксперименте затруднено. Тем не менее, авторы детектировали и их возникновение тоже, чтобы отсеивать кандидаты в события.

Превращение протона в антимюон и нейтрон под действием антинейтрино относится к взаимодействиям заряженных токов, переносимых с помощью W-бозонов. Сечение рассеяния при этом зависит от аксиально-векторного, векторного и псевдоскалярного форм-факторов. Последний из них оказывается подавлен масштабами масс, а значение второго авторы использовали в своих расчетах, подставляя данные из предыдущих экспериментов по электронному рассеянию. Пользуясь этим, авторы извлекли из своих экспериментальных данных о рассеянии антимюона аксиально-векторный форм-фактор протона. Аппроксимация форм-фактора в область малых импульсов с аксиальной массой, равной 1,014 гигаэлектронвольта на квадрат скорости света, позволила вычислить соответствующий среднеквадратичный радиус протона — он оказался равен 0,73±0,17 фемтометра.

В Фермилабе, помимо источника антинейтрино, которым пользовались ученые для измерения радиуса протона, есть источник мюонных нейтрино. Недавно мы рассказывали, как коллаборация MicroBooNe использовала его, чтобы искать стерильные нейтрино.

Источник

Нажмите, чтобы оценить статью
[Итого: 0 Среднее значение: 0]

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

Кнопка «Наверх»