'유령' 뉴트리노는 양성자를 연구하는 새로운 경로를 제공합니다

[아름이]

'유령' 뉴트리노는 양성자를 연구하는 새로운 경로를 제공합니다
날짜:
2023년 2월 1일
원천:
로체스터 대학교
요약:
과학자들은 '유령 입자'로 알려진 중성미자를 이용해 양성자의 구조를 조사하는 새로운 방법을 발견했다.

뉴트리노는 우리 우주에서 가장 풍부한 입자 중 하나이지만 감지하고 연구하기가 매우 어렵습니다. 전하가 없고 질량이 거의 없습니다. 그들은 원자와 거의 상호 작용하지 않기 때문에 종종 "유령 입자"라고합니다.

그러나 그들은 매우 풍부하기 때문에 과학자들이 우주에 대한 근본적인 질문에 답하는 데 큰 역할을 합니다.

로체스터 대학(University of Rochester)의 연구원들이 이끄는 Nature 에 기술된 획기적인 연구 에서 국제 협력 MINERvA의 과학자들은 처음으로 Fermi National Accelerator Laboratory(Fermilab)에서 중성미자 빔을 사용하여 구조를 조사했습니다. 양성자의.

MINERvA는 중성미자를 연구하기 위한 실험이며 연구원들은 양성자를 연구하기 위해 시작한 것이 아닙니다. 그러나 한때 불가능하다고 여겨졌던 그들의 업적은 과학자들에게 원자핵의 작은 구성 요소를 보는 새로운 방법을 제공합니다.

"MINERvA 실험의 일환으로 중성미자를 연구하는 동안 제가 사용하고 있는 기술이 양성자를 조사하는 데 적용될 수 있다는 것을 깨달았습니다."라고 이 논문의 첫 번째 저자인 Tejin Cai는 말했습니다. 현재 York University의 박사 후 연구원인 Cai는 Kevin McFarland 박사, Rochester의 Steven Chu 물리학 교수 및 University Neutrino Group의 핵심 구성원의 박사 과정 학생으로 연구를 수행했습니다. "처음에는 그것이 작동할지 확신할 수 없었지만 궁극적으로 중성미자를 사용하여 원자핵을 구성하는 양성자의 크기와 모양을 측정할 수 있다는 것을 발견했습니다. 마치 유령 자를 사용하여 측정하는 것과 같습니다."

입자 빔을 사용하여 양성자 측정

원자, 그리고 원자핵을 구성하는 양성자와 중성자는 너무 작아서 연구원들이 직접 측정하기가 어렵습니다. 대신 그들은 고에너지 입자 빔으로 원자를 폭격하여 원자 구성 요소의 모양과 구조에 대한 그림을 만듭니다. 그런 다음 입자가 원자 구성 요소에서 반사되는 거리와 각도를 측정합니다.

예를 들어 상자에 구슬을 던진다고 상상해 보십시오. 구슬은 특정 각도에서 상자에서 튀어 나오므로 상자가 보이지 않는 경우에도 상자의 위치를 ​​결정하고 크기와 모양을 결정할 수 있습니다.

McFarland는 "이것은 무언가를 측정하는 매우 간접적인 방법이지만 물체(이 경우에는 양성자)의 구조를 다른 각도에서 얼마나 많은 편향을 볼 수 있는지와 연관시킬 수 있습니다."라고 McFarland는 말합니다.

중성미자 빔은 우리에게 무엇을 말해 줄 수 있습니까?

연구원들은 1950년대에 스탠포드 대학의 선형 가속기 시설에서 전자 빔을 이용한 가속기를 사용하여 양성자의 크기를 처음 측정했습니다. 그러나 가속 전자 빔을 사용하는 대신 Cai, McFarland 및 동료들이 개발한 새로운 기술은 중성미자 빔을 사용합니다.

McFarland는 새로운 기술이 이전 기술보다 더 선명한 이미지를 생성하지는 않지만 과학자들에게 중성미자와 양성자가 어떻게 상호 작용하는지에 대한 새로운 정보를 제공할 수 있다고 말합니다. 현재 이론 계산이나 이론 및 기타 측정의 조합을 사용하여 추론할 수 있는 정보입니다.

McFarland는 새 기술을 기존 기술과 비교하면서 이 과정을 일반 가시광선에서 꽃을 본 다음 자외선 아래에서 꽃을 보는 것과 비슷하다고 설명합니다.

"당신은 같은 꽃을 보고 있지만 다른 종류의 빛 아래에서 다른 구조를 볼 수 있습니다."라고 McFarland는 말합니다. "우리의 이미지는 더 정확하지 않지만 중성미자 측정은 우리에게 다른 관점을 제공합니다."

구체적으로, 그들은 양성자와 중성자의 묶인 집합인 원자핵에 대한 중성미자 산란과 관련된 효과로부터 양성자에 대한 중성미자 산란과 관련된 효과를 분리하는 기술을 사용하기를 희망하고 있습니다.

"양성자로부터 중성미자 산란을 예측하기 위한 우리의 이전 방법은 모두 이론적인 계산을 사용했지만 이 결과는 산란을 직접 측정합니다."라고 Cai는 말합니다.

McFarland는 "이러한 핵 효과에 대한 이해를 개선하기 위해 새로운 측정을 사용함으로써 중성미자 특성의 향후 측정을 더 잘 수행할 수 있을 것"이라고 덧붙였습니다.

뉴트리노 실험의 기술적 도전

중성미자는 원자핵이 뭉치거나 부서질 때 생성됩니다. 태양은 태양 핵융합의 부산물인 중성미자의 큰 ​​공급원입니다. 예를 들어, 햇빛 아래 서 있으면 매초 수조 개의 중성미자가 무해하게 몸을 통과합니다.

중성미자는 전자보다 우주에 더 풍부하지만 과학자들이 실험적으로 대량으로 활용하는 것은 더 어렵습니다. 중성미자는 유령처럼 물질을 통과하는 반면 전자는 물질과 훨씬 더 자주 상호 작용합니다.

"평균적으로 1년 동안 매초 몸을 통과하는 수조 개의 중성미자 중 하나 또는 두 개의 중성미자 사이의 상호 작용만 있을 것입니다."라고 Cai는 말합니다. "우리 실험에는 충분한 양의 양성자를 얻어야 하고, 그 큰 양성자 집합체를 통해 충분한 중성미자를 얻는 방법을 알아내야 한다는 점에서 엄청난 기술적 도전이 있습니다."

중성미자 검출기 사용

연구원들은 수소와 탄소 원자 모두를 포함하는 중성미자 검출기를 사용하여 이 문제를 부분적으로 해결했습니다. 일반적으로 연구자들은 양성자를 측정하기 위해 실험에서 수소 원자만 사용합니다. 수소는 우주에서 가장 풍부한 원소일 뿐만 아니라 수소 원자에는 단일 양성자와 전자만 포함되어 있기 때문에 가장 단순합니다. 그러나 순수한 수소의 표적은 원자와 상호 작용하기에 충분한 중성미자가 충분히 조밀하지 않을 것입니다.

McFarland는 "우리는 수소를 탄화수소 분자에 결합시켜 아원자 입자를 감지할 수 있도록 하는 '화학적 속임수'를 수행하고 있습니다."라고 말했습니다.

MINERvA 그룹은 Fermilab에 위치한 고출력, 고에너지 입자 가속기를 사용하여 실험을 수행했습니다. 가속기는 지구상에서 가장 강력한 고에너지 중성미자 공급원을 생성합니다.

연구원들은 수소와 탄소 원자로 만들어진 검출기에 중성미자 빔을 쳐서 거의 9년 동안 작동한 데이터를 기록했습니다.

수소 원자에서 정보만 분리하기 위해 연구원들은 탄소 원자에서 배경 "잡음"을 빼야 했습니다.

"수소와 탄소는 화학적으로 결합되어 있으므로 검출기는 한 번에 두 가지의 상호 작용을 볼 수 있습니다."라고 Cai는 말합니다. "나는 탄소 상호작용을 연구하기 위해 내가 사용하고 있던 기술이 탄소 상호작용을 빼면 수소 자체를 보는 데에도 사용될 수 있다는 것을 깨달았습니다. 탄소 핵."

York University의 교수이자 MINERvA의 공동 대변인인 Deborah Harris는 "MINERvA를 제안했을 때 검출기의 수소에서 측정값을 추출할 수 있을 것이라고는 전혀 생각하지 못했습니다. 이 작업을 수행하려면 검출기의 뛰어난 성능이 필요했습니다. , 과학자들의 창의적인 분석, 그리고 Fermilab에서 가속기를 수년간 실행했습니다.

불가능이 가능해진다

McFarland도 처음에는 중성미자를 사용하여 양성자로부터 신호를 정확하게 측정하는 것이 거의 불가능할 것이라고 생각했습니다.

"Tejin과 우리 동료 Arie Bodek(George E. Pake Rochester 물리학과 교수)가 처음 이 분석을 시도할 것을 제안했을 때 나는 그것이 너무 어려울 것이라고 생각했습니다."라고 McFarland는 말합니다. "그러나 양성자에 대한 오래된 견해는 매우 철저하게 탐구되었으므로 우리는 새로운 견해를 얻기 위해 이 기술을 시도하기로 결정했고 효과가 있었습니다."

Cai는 MINERvA 과학자들의 집합적 전문성과 그룹 내 협업이 연구를 수행하는 데 필수적이라고 말했습니다.

"분석 결과와 개발된 새로운 기술은 데이터를 이해하는 데 있어 창의적이고 협력적인 태도의 중요성을 강조합니다."라고 그는 말합니다. "분석을 위한 많은 구성 요소가 이미 존재했지만 올바른 방법으로 조합하면 정말 차이가 났으며 이는 실험을 성공시키기 위해 지식을 공유하는 다양한 기술 배경을 가진 전문가 없이는 불가능합니다."

우주를 구성하는 일반적인 물질에 대한 더 많은 정보를 제공하는 것 외에도 이 연구는 중성미자의 특성을 측정하려는 다른 실험에서 중성미자 상호 작용을 예측하는 데 중요합니다. 이러한 실험에는 DUNE(Deep Underground Neutrino Experiment), ICARUS(Imaging Cosmic And Rare Underground Signals) 중성미자 검출기, McFarland와 그의 그룹이 참여하는 T2K 중성미자 실험이 포함됩니다.

Cai는 "어떤 중성미자가 다른 것보다 질량이 더 큰지, 중성미자와 반물질 파트너 사이에 차이가 있는지 여부와 같은 질문에 답하려면 양성자에 대한 자세한 정보가 필요합니다."라고 말했습니다. "우리의 작업은 가까운 장래에 이러한 대규모 과학 프로젝트의 목표인 중성미자 물리학에 대한 근본적인 질문에 답하는 데 한 걸음 앞으로 나아간 것입니다."

출처 : https://www.sciencedaily.com/