亚原子幽灵为质子的结构提供了新的线索

　　

　　科学史上的许多进步可以直接归因于看待事物的新方法的发展。伽利略没有发明望远镜，但他把它转向天空，随着木星卫星的发现，解决了太阳还是地球是太阳系中心的问题。随着辐射的发现，科学家们深入了解了原子的性质。

　　本着这一崇高的传统，费米国家加速器实验室的科学家在《自然》杂志上发表了一篇论文，描述了使用中微子对质子的大小和结构的研究，中微子是已知亚原子粒子中相互作用最弱的。这项研究展示了一种研究弱力相互作用的新方法，弱力相互作用是宇宙中已知的四种基本相互作用之一。

　　质子是物质的组成部分之一，位于原子的中心。氢是最轻的元素，由一个质子和一个电子组成。虽然质子长期以来被认为是一种没有内部结构的点状粒子，但在 1960 年代和 1970 年代，科学家们有不同的学习方式。利用电子束，科学家们探测了质子内部并研究了其成分。通过检查这些数据，研究人员最终推断出质子仍然由较小的粒子组成，称为夸克。

　　像质子一样，夸克经历电力，这就是它们与电子相互作用的方式。在许多其他特性中，科学家们已经确定质子可以被描绘成半径为0.8409±0.0004飞米的微小球体 - 基本上是十亿分之一米。在那个球体内，夸克和质子的其他成分疯狂地相互绕行;在球体之外——什么都没有。

　　然而，由于该半径是通过电子和质子之间的相互作用确定的，因此结果反映了夸克分布和电力性质的组合。另一个调查可能会对情况有不同的了解。

　　中微子是一种亚原子粒子，仅通过弱核力相互作用。这种力非常弱 - 大约是电磁力强度的0.1%。此外，弱力明显的范围非常小 - 小于质子的大小。由于相互作用非常微弱，并且它起作用的范围如此之短，中微子可以非常容易地穿过物质。事实上，中微子可以穿过整个地球，相互作用的机会很小。

　　在相互作用概率如此之小的情况下，看到中微子和物质之间相互作用的唯一方法就是使用大量的中微子。从本质上讲，这很像玩彩票。虽然任何个人彩票中奖的机会都很低，但如果您购买数百万张彩票，您将大大增加中奖的机会。

　　费米国家加速器实验室（又名费米实验室）是世界上最强烈的中微子束的所在地。（披露：我是费米实验室雇用的科学家，但我没有参与这项研究。他们使用了一种名为MINERVA的探测器来进行这项研究。

　　随着时间的推移，MINERVA科学家发射了十亿万亿（1021）目标上的质子，这导致了总共约5，000次相互作用，他们从中进行了测量。以下是这些相互作用是多么罕见的想法：如果我们使用直径为一厘米的大理石来表示粒子束中的单个质子，则需要一个侧面约600米（0.3英里）的立方体，充满弹珠，以产生一个有用的中微子相互作用。

　　为了使用中微子对质子进行精确研究，理想情况下，人们会建立一个仅由质子（或氢，其中也包括电子）组成的目标。然而，氢靶的密度还不够大。因此，研究人员转而使用由碳和氢组成的聚苯乙烯。碳核也含有质子，但它们也包括中子。

　　研究小组利用了这样一个事实，即在碳核内，质子和中子都相互绕行，从而移动。通过选择聚苯乙烯内的中微子相互作用，然后进一步选择散射中微子的质子几乎静止的那些相互作用，他们能够隔离中微子撞击氢核的相互作用。

　　通过这种质子/中微子相互作用的纯样本，研究人员能够仅使用弱核力来测量质子的大小。他们发现质子的半径是0.73±0.17飞米。这种测量不如使用电子束实现的精确，但它是第一次使用弱力直接测量质子的大小。它确认了较早的测量，并验证它可以用于当前计算。

　　虽然费米实验室的加速器复合体已经产生了最强烈的中微子束，但该实验室已经进行了一项长达十年的设施改进计划，这将使束强度增加十倍。他们将使用这种新光束将中微子穿过地球发射到一个名为深地下中微子实验（DUNE）的探测器。

　　DUNE正在距离南达科他州费米实验室1，300公里（800英里）的地方建造，位于地下约一英里的洞穴中。研究人员将研究中微子的一种迷人行为，即它们随着时间的推移改变自己的身份，变成其他粒子，然后恢复到原来的身份。这种仅使用弱核力对质子大小的新测量使科学家对未来研究计划的计算更有信心。

　　虽然使用中微子测量质子大小的新测量不如使用电子的测量准确，但使用电子的原始测量也不是很准确。重要的是，已经开发出一种研究弱力相互作用的新方法。这是第一步，科学家现在可以利用它来更好地理解宇宙的规律。

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