中微子是我们宇宙中最丰富的粒子之一，但它们是出了名的难以探测和研究：它们没有电荷，几乎没有质量。它们通常被称为“幽灵粒子”，因为它们很少与原子相互作用。

但由于它们如此丰富，它们在帮助科学家回答有关宇宙的基本问题方面发挥着重要作用。

在《自然》杂志上描述的由罗切斯特大学研究人员领导的开创性研究中，来自国际合作MINERvA的科学家首次在费米国家加速器实验室(Fermilab)使用一束中微子来研究质子的结构。

MINERvA是一项研究中微子的实验，研究人员并没有着手研究质子。但是，曾经被认为不可能完成的壮举为科学家提供了一种观察原子核小成分的新方法。

“当我们研究中微子作为MINERvA实验的一部分时，我意识到我正在使用的一种技术可以应用于研究质子，”该论文的第一作者Tejin Cai说。蔡现在是约克大学的博士后研究助理，作为罗切斯特大学朱博士物理学教授、该大学中微子小组的关键成员凯文·麦克法兰的博士生进行了这项研究。

“起初我们不确定它是否有效，但我们最终发现我们可以使用中微子来测量构成原子核的质子的大小和形状。这就像用幽灵尺进行测量一样。

使用粒子束测量质子

原子以及构成原子核的质子和中子非常小，以至于研究人员很难直接测量它们。相反，他们通过用高能粒子束轰击原子来构建原子成分的形状和结构的图片。然后，他们测量粒子从原子成分反弹的距离和角度。

例如，想象一下，向一个盒子扔弹珠。弹珠会以特定角度从盒子上反弹，使您能够确定盒子的位置，并确定其大小和形状，即使您看不到盒子。

“这是一种非常间接的测量方法，但它允许我们将物体的结构 - 在这种情况下，质子 - 与我们在不同角度看到的偏转数量联系起来，”麦克法兰说。

中微子束能告诉我们什么?

研究人员在1950年代首次测量了质子的大小，在斯坦福大学的直线加速器设施中使用带有电子束的加速器。但是，Cai，McFarland及其同事开发的新技术不是使用加速电子束，而是使用中微子束。

麦克法兰说，虽然新技术不会产生比旧技术更清晰的图像，但它可能会为科学家提供有关中微子和质子如何相互作用的新信息——他们目前只能通过理论计算或理论和其他测量的组合来推断这些信息。

在将新技术与旧技术进行比较时，麦克法兰将这个过程比作在正常的可见光下看到一朵花，然后在紫外线下观察花朵。

“你正在看同一朵花，但你可以在不同类型的光线下看到不同的结构，”麦克法兰说。“我们的图像不是更精确，但中微子测量为我们提供了不同的视图。

具体来说，他们希望利用该技术将质子上中微子散射的相关效应与原子核上的中微子散射相关效应分开，原子核是质子和中子的结合集合。

“我们以前预测质子中微子散射的方法都使用了理论计算，但这个结果直接测量了散射，”蔡说。

麦克法兰补充说：“通过使用我们的新测量来提高我们对这些核效应的理解，我们将能够更好地进行中微子特性的未来测量。

试验中微子的技术挑战

中微子是在原子核聚集在一起或分裂时产生的。太阳是中微子的重要来源，中微子是太阳核聚变的副产品。例如，如果你站在阳光下，每秒会有数万亿个中微子无害地穿过你的身体。

尽管中微子在宇宙中比电子更丰富，但科学家很难通过实验大量利用它们：中微子像幽灵一样穿过物质，而电子与物质的相互作用要频繁得多。

“在一年的时间里，平均而言，每秒通过你身体的数万亿个中微子中只有一个或两个相互作用，”蔡说。“在我们的实验中存在一个巨大的技术挑战，我们必须获得足够的质子来观察，我们必须弄清楚如何通过质子的大组装获得足够的中微子。

使用中微子探测器

研究人员通过使用包含氢原子和碳原子目标的中微子探测器解决了这个问题。通常，研究人员在实验中仅使用氢原子来测量质子。氢不仅是宇宙中最丰富的元素，也是最简单的元素，因为氢原子只包含一个质子和电子。但是纯氢的目标密度不足以让足够的中微子与原子相互作用。

“我们正在执行一个'化学技巧'，可以这么说，通过将氢结合成碳氢化合物分子，使其能够检测亚原子粒子，”麦克法兰说。

MINERvA小组使用位于费米实验室的高功率，高能粒子加速器进行了实验。加速器产生地球上最强的高能中微子来源。

研究人员用中微子束撞击由氢和碳原子制成的探测器，并记录了近九年运行的数据。

为了仅从氢原子中分离出信息，研究人员不得不从碳原子中减去背景“噪声”。

“氢和碳是化学键合在一起的，所以探测器可以同时看到两者的相互作用，”蔡说。“我意识到，我用来研究碳相互作用的技术也可以用来在减去碳相互作用后单独观察氢。我们工作的很大一部分是从碳核质子上散射的中微子中减去非常大的背景。

约克大学教授、MINERvA联合发言人黛博拉·哈里斯(Deborah Harris)说：“当我们提出MINERvA时，我们从未想过我们能够从探测器中的氢气中提取测量值。完成这项工作需要探测器的出色性能，科学家的创造性分析以及费米实验室加速器的多年运行。

不可能变为可能

麦克法兰最初也认为，使用中微子来精确测量质子的信号几乎是不可能的。

“当Tejin和我们的同事Arie Bodek(罗切斯特大学的George E. Pake物理学教授)第一次建议尝试这种分析时，我认为这太困难了，”麦克法兰说。“但是质子的旧观点已经被非常彻底地探索了，所以我们决定尝试这种技术来获得新的观点 - 它奏效了。

蔡说，MINERvA科学家的集体专业知识和小组内部的合作对于完成研究至关重要。

“分析的结果和开发的新技术突出了在理解数据方面具有创造性和协作性的重要性，”他说。“虽然分析的许多组件已经存在，但以正确的方式将它们组合在一起确实有所作为，如果没有具有不同技术背景的专家分享他们的知识以使实验成功，这是无法做到的。

除了提供有关构成宇宙的常见物质的更多信息外，该研究对于预测其他试图测量中微子性质的实验的中微子相互作用也很重要。这些实验包括深层地下中微子实验(DUNE)，成像宇宙和稀有地下信号(ICARUS)中微子探测器，以及麦克法兰和他的团队参与的T2K中微子实验。

“我们需要有关质子的详细信息来回答诸如哪些中微子比其他中微子具有更大的质量以及中微子与其反物质伙伴之间是否存在差异等问题，”蔡说。“我们的工作在回答有关中微子物理学的基本问题方面向前迈出了一步，这些问题是这些大型科学项目在不久的将来的目标。