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Prótons e nêutrons, os blocos de construção dos núcleos atômicos, são eles próprios compostos de quarks e glúons fortemente interativos. Como as interações são muito fortes, a estrutura de prótons e nêutrons é difícil de calcular a partir da teoria. Em vez disso, os cientistas devem medi-lo experimentalmente. Os experimentos com neutrinos usam alvos que são núcleos feitos de muitos prótons e nêutrons unidos. Isso complica a interpretação dessas medições para inferir a estrutura do próton. Ao espalhar neutrinos dos prótons que são os núcleos dos átomos de hidrogênio no detector MINERvA, os cientistas forneceram as primeiras medições dessa estrutura com neutrinos usando prótons não ligados.
Os pesquisadores estão construindo vários grandes experimentos de nêutriões, incluindo o DUNE e o Sanford Underground Research Facility. Esses experimentos ajudarão a fazer medições precisas das propriedades dos neutrinos. Isso, por sua vez, responderá a perguntas sobre como os neutrinos afetaram a estrutura do nosso Universo. Esses experimentos requerem uma compreensão precisa de como os neutrinos interagem nos núcleos pesados nos experimentos, como o argônio no caso do DUNE. Construir uma teoria dessas interações requer separar os efeitos do espalhamento de neutrinos de prótons ou nêutrons e os efeitos da ligação no núcleo. Ao medir essa propriedade de prótons livres, os resultados do MINERvA ajudarão a construir teorias mais completas de interações de neutrinos.
O principal desafio na medição descrita nesta nova pesquisa é que o hidrogênio no detector do MINERvA é quimicamente misturado meio a meio em plástico com átomos de carbono. Existem seis prótons no átomo de carbono, então a reação de fundo do carbono é muito maior. Ao desenvolver uma nova técnica para medir a direção do nêutron de saída na reação, o neutrino antimúon no próton cria antimúon e nêutron, os pesquisadores podem separar os dois tipos de reação. Isso permite o estudo dos fundos residuais usando a mesma reação paralela em um feixe de neutrinos, onde nenhuma reação nos átomos de hidrogênio é possível. Essa medida da estrutura é interpretada como o fator de forma do vetor axial do próton, um termo técnico para a estrutura revelada pelo espalhamento de neutrinos, de modo que possa ser usado como entrada para previsões de reações de neutrinos.
Este trabalho foi financiado pelo Departamento de Energy Office of Science, Office of High Energy Physics, pela University of Rochester’s Messersmith Graduate Fellowships, e pela National Science Foundation’s Graduate Research Fellowships. O Fermilab Accelerator Complex, que cria o feixe de neutrinos NuMI usado para o MINERvA e outros experimentos, é uma instalação do usuário do DOE Office of Science.
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