Протоны и нейтроны, известные как нуклоны, являются фундаментальными строительными блоками материи. Однако в экспериментах по ядерной физике нейтронам уделялось меньше внимания, чем протонам. Новая статья, опубликованная в Physical Review Letters, описывает первый взгляд на внутреннюю структуру нейтрона благодаря разработке специального детектора, на создание которого ушло 10 лет.

«Мы впервые обнаружили нейтрон в реакции такого типа, и это весьма важный результат для изучения нуклонов», — заявила Сильвия Никколаи, директор по исследованиям Французского национального центра научных исследований (CNRS).

Центральный нейтронный детектор, установленный в совместном исследовательском подразделении CNRS в Орсе, Университета Париж-Сакле и Университета Париж-Сити. Источник: Silvia Niccolai

Нуклоны состоят из более мелких частиц, называемых кварками и глюонами. Физики стремятся лучше понять, как эти составляющие частицы распределены внутри нуклонов и как они влияют на общий спин нуклона. Для этого они используют установку непрерывного электронного пучка (CEBAF) в Национальном ускорительном комплексе имени Томаса Джефферсона Министерства энергетики США, рассеивая электроны от нуклонных мишеней и обнаруживая конечные продукты этих реакций.

Одна из таких реакций — глубоко виртуальное комптоновское рассеяние (DVCS), в котором электрон взаимодействует с нуклонной мишенью, и нуклон поглощает часть энергии электрона, испуская фотон. Однако детекторы CLAS и CLAS12, используемые для изучения DVCS, в основном фокусировались на протоне, поскольку нейтроны сложнее обнаружить из-за их тенденции рассеиваться на 40 градусов вверх от линии пучка.

Никколаи предложила решение этой проблемы — Центральный нейтронный детектор. Её команда из Лаборатории физики двух бесконечностей Ирен Жолио-Кюри (IJCLab) начала строительство детектора в 2011 году и завершила в 2015 году. Детектор был установлен в CLAS12 в 2017 году.

Хотя детектор мог охватывать необходимые углы для обнаружения нейтронов, команда столкнулась с проблемой загрязнения протонами. Адам Хобарт, научный сотрудник IJCLab, который руководил анализом данных, использовал методы машинного обучения для различения шумовых сигналов от настоящих нейтронов.

Использование центрального нейтронного детектора позволило провести первые измерения DVCS на нейтроне, которые напрямую обнаруживают нейтрон, участвующий в реакции. Это даёт исследователям уверенность в том, что они действительно обнаруживают DVCS, что поможет физикам лучше понять структуру и спин как нейтронов, так и протонов.

Это достижение открывает новые возможности для изучения внутренней структуры нейтронов и их взаимодействия с другими частицами.

Подробнее на iXBT