Протоны и нейтроны, известные под общим названием нуклоны, являются основополагающими элементами материи. Тем не менее в ядерной физике нейтронам традиционно уделялось меньше внимания по сравнению с протонами. В недавно опубликованной статье в Physical Review Letters описывается новаторский подход к изучению внутренней структуры нейтрона, достигнутый благодаря созданию специального детектора, на разработку которого потребовалось 10 лет.
«Нам удалось впервые наблюдать нейтрон в подобной реакции, что представляет собой значительный прорыв в изучении нуклонов», — подчеркнула Сильвия Никколаи, руководитель исследовательского направления во Французском национальном центре научных исследований (CNRS).
Нуклоны состоят из более мелких компонентов — кварков и глюонов. Физики стремятся глубже понять, как эти частицы распределены внутри нуклонов и оказывают влияние на их суммарный спин. С целью достижения этого они применяют установку непрерывного электронного пучка (CEBAF) в Национальном ускорительном комплексе Томаса Джефферсона Министерства энергетики США, воздействуя на нуклоны электронами и фиксируя продукты таких взаимодействий.
Одной из ключевых реакций является глубоко виртуальное комптоновское рассеяние (DVCS), в ходе которого электрон воздействует на нуклон, передавая ему часть своей энергии и вызывая излучение фотона. Однако существующие детекторы CLAS и CLAS12, ориентированные на изучение DVCS, в основном исследовали протоны, поскольку нейтроны более сложны для обнаружения — они обычно рассеиваются под углом 40 градусов от оси пучка.
Сильвия Никколаи предложила способ преодоления этой проблемы через разработку Центрального нейтронного детектора. Её команда из Лаборатории физики двух бесконечностей Ирен Жолио-Кюри (IJCLab) начала создание детектора в 2011 году и завершила его в 2015 году. В 2017 году детектор был интегрирован в CLAS12.
Несмотря на то, что детектор мог охватывать нужные углы для детектирования нейтронов, возникла проблема, связанная с ложными сигналами от протонов. Адам Хобарт, научный сотрудник IJCLab, возглавивший анализ данных, применил методы машинного обучения для эффективного различения шумов и настоящих сигналов нейтронов.
Благодаря центральному нейтронному детектору впервые удалось провести точные измерения DVCS на нейтроне, которые с высокой точностью фиксируют участие нейтрона в реакции. Это открытие внушает уверенность в правильности полученных данных о DVCS и поможет физикам значительно продвинуться в понимании структуры и спиновых характеристик как нейтронов, так и протонов.
Этот успех предоставил новые возможности для детального изучения внутреннего строения нейтронов и их взаимодействий с другими элементарными частицами.
Источник: iXBT
