Les protons et les neutrons, éléments constitutifs des noyaux atomiques, sont eux-mêmes constitués de quarks et de gluons en interaction forte. Parce que les interactions sont si fortes, la structure des protons et des neutrons est difficile à calculer à partir de la théorie. Au lieu de cela, les scientifiques doivent le mesurer expérimentalement. Les expériences sur les neutrinos utilisent des cibles qui sont des noyaux constitués de nombreux protons et neutrons liés ensemble. Cela complique l’interprétation de ces mesures pour déduire la structure du proton. En diffusant les neutrinos des protons qui sont les noyaux des atomes d’hydrogène dans le détecteur MINERvA, les scientifiques ont fourni les premières mesures de cette structure avec des neutrinos utilisant des protons non liés.
Les chercheurs construisent plusieurs grandes expériences sur les neutrions, dont DUNE et le Sanford Underground Research Facility. Ces expériences permettront de faire des mesures précises des propriétés des neutrinos. Cela répondra à son tour aux questions sur la façon dont les neutrinos ont affecté la structure de notre Univers. Ces expériences nécessitent une compréhension précise de la façon dont les neutrinos interagissent sur les noyaux lourds dans les expériences, comme l’argon dans le cas de DUNE. Construire une théorie de ces interactions nécessite de séparer les effets de la diffusion des neutrinos par les protons ou les neutrons et les effets de la liaison dans le noyau. En mesurant cette propriété des protons libres, les résultats de MINERvA permettront de construire des théories plus complètes sur les interactions des neutrinos.
Le principal défi de la mesure décrite dans cette nouvelle recherche est que l’hydrogène dans le détecteur de MINERvA est chimiquement mélangé moitié-moitié en plastique avec des atomes de carbone. Il y a six protons dans l’atome de carbone, donc la réaction de fond du carbone est beaucoup plus grande. En développant une nouvelle technique pour mesurer la direction du neutron sortant dans la réaction, le neutrino anti-muon sur le proton crée un anti-muon et un neutron, les chercheurs peuvent séparer les deux types de réaction. Cela permet d’étudier les fonds résiduels en utilisant la même réaction parallèle dans un faisceau de neutrinos, où aucune réaction sur les atomes d’hydrogène n’est possible. Cette mesure de la structure est interprétée comme le facteur de forme vectoriel axial du proton, un terme technique pour la structure révélée par la diffusion des neutrinos, de sorte qu’elle peut être utilisée comme données d’entrée pour les prédictions des réactions des neutrinos.
Ce travail a été financé par le Department of Energy Office of Science, Office of High Energy Physics, par les Messersmith Graduate Fellowships de l’Université de Rochester et par les Graduate Research Fellowships de la National Science Foundation. Le complexe d’accélérateurs du Fermilab qui crée le faisceau de neutrinos NuMI utilisé pour MINERvA et d’autres expériences est une installation utilisateur du DOE Office of Science.
