10-летний эксперимент дает первое представление о внутренней структуре нейтрона

Ученые давно хотят понять, как устроены нейтроны. Их внутренняя структура может помочь понять, как появляются, живут и сливаются нейтронные звезды. 

Нейтроны, в отличие от протонов, рассеиваются под углами, недоступными для стандартных детекторов. Но команда ученых из Национальной лаборатории имени Джефферсона (США) решила эту проблему.

«В стандартной конфигурации невозможно было обнаружить нейтроны под этими углами», — объясняет Сильвия Николаи.

В 2007 году Сильвия вместе с командой начала работать над проектом, который позволил бы физикам-ядерщикам измерить эти нейтроны и изучить их структуру. Решением стало создание Центрального детектора нейтронов (CND), завершенного в 2015 году.

Эксперимент, продолжавшийся более 10 лет, впервые позволил наблюдать «ураган» частиц внутри нейтронов — важный шаг в понимании структуры материи.

Нейтроны и протоны — частицы, составляющие ядро атома. Нейтроны нейтральны, а протоны имеют положительный заряд. Оба они состоят из кварков: протон — из двух верхних и одного нижнего кварка, а нейтрон — из одного верхнего и двух нижних кварков.

Кварки — это фундаментальные частицы, которые не могут существовать отдельно, всегда образуя группы (например, протоны или нейтроны). Глюоны — это частицы, связывающие кварки между собой.

Партоны — обобщенный термин для кварков и глюонов, применяемый в рамках теории квантовой хромодинамики (теории, описывающей сильное взаимодействие).

Установка CND способна фиксировать нейтроны под большими углами. Однако во время эксперимента ученые столкнулись с проблемой: протоны проникали в детектор, искажая данные. Для решения этого в 2017 году исследователи подключили искусственный интеллект, который позволил фильтровать ложные сигналы и обеспечил точное измерение нейтронов.

Как проходил эксперимент

Физики использовали ускоритель частиц, чтобы «стрелять» электронами в нейтроны и анализировать отскок частиц. Это помогло изучить распределение кварков и глюонов внутри нейтрона. 

Эксперимент дал новые данные о распределении партонов в нейтронах, особенно о так называемом обобщенном распределении партонов E, которое связано с характеристикой спина нуклонов. Спин — это квантовая характеристика, напоминающая вращение.

Ранее исследования показали, что спин кварков составляет лишь около 30% от общего спина протона или нейтрона. Остальные 70% остаются загадкой. Новые эксперименты, включая этот, помогут пролить свет на этот вопрос.

По мнению ученых, это исследование открывает новые горизонты в изучении квантовой механики и структуры материи.