Но поскольку их так много, они играют большую роль в том, чтобы помочь ученым ответить на фундаментальные вопросы о Вселенной.

В новаторском исследовании, описанном в Природа -- под руководством исследователей из Университета Рочестера - ученые из международного сотрудничества MINERvA впервые использовали пучок нейтрино в Национальной ускорительной лаборатории Ферми, или Fermilab, для исследования структуры протонов.

MINERvA - это эксперимент по изучению нейтрино, и исследователи не ставили своей целью изучение протонов. Но их подвиг, который когда-то считался невозможным, предлагает ученым новый взгляд на мелкие компоненты ядра атома.

"Когда мы изучали нейтрино в рамках эксперимента MINERvA, я понял, что метод, который я использовал, может быть применен для исследования протонов", - говорит Теджин Цай, первый автор статьи. Кай, который в настоящее время является постдокторским научным сотрудником Йоркского университета, проводил исследование в качестве аспиранта Кевина Макфарланда, профессора физики доктора Стивена Чу в Рочестере и ключевого члена университетской нейтринной группы. "Сначала мы не были уверены, сработает ли это, но в конечном счете обнаружили, что можем использовать нейтрино для измерения размера и формы протонов, составляющих ядра атомов. Это все равно что использовать призрачную линейку для измерения".

Использование пучков частиц для измерения протонов

Атомы, а также протоны и нейтроны, составляющие ядро атома, настолько малы, что исследователям трудно измерить их непосредственно. Вместо этого они создают картину формы и структуры компонентов атома, бомбардируя атомы пучком частиц высокой энергии. Затем они измеряют, как далеко и под какими углами частицы отскакивают от компонентов атома.

Представьте, например, что вы бросаете шарики в коробку. Шарики отскакивали от коробки под определенными углами, позволяя вам определить, где находится коробка, а также определить ее размер и форму, даже если коробка была вам невидима.

"Это очень косвенный способ измерения чего-либо, но он позволяет нам соотнести структуру объекта - в данном случае протона - с количеством отклонений, которые мы видим под разными углами", - говорит Макфарланд.

Что могут сказать нам нейтринные лучи?

Исследователи впервые измерили размер протонов в 1950-х годах, используя ускоритель с пучками электронов на линейном ускорителе Стэнфордского университета. Но вместо использования пучков ускоренных электронов новая методика, разработанная Каем, Макфарландом и их коллегами, использует пучки нейтрино.

По словам Макфарланда, хотя новый метод не дает более четкого изображения, чем старый, он может дать ученым новую информацию о том, как взаимодействуют нейтрино и протоны - информацию, которую они в настоящее время могут получить только с помощью теоретических расчетов или комбинации теории и других измерений.

Сравнивая новую технику со старой, Макфарланд сравнивает этот процесс с наблюдением за цветком при обычном видимом освещении, а затем рассматривает цветок в ультрафиолетовом свете.

"Вы смотрите на один и тот же цветок, но вы можете видеть разные структуры при разных видах света", - говорит Макфарланд. "Наше изображение не более точное, но измерение нейтрино дает нам другой взгляд".

В частности, они надеются использовать этот метод для отделения эффектов, связанных с рассеянием нейтрино на протонах, от эффектов, связанных с рассеянием нейтрино на атомных ядрах, которые представляют собой связанные скопления протонов и нейтронов.

"Все наши предыдущие методы прогнозирования рассеяния нейтрино на протонах использовали теоретические расчеты, но этот результат непосредственно измеряет это рассеяние", - говорит Цай.

Макфарланд добавляет: "Используя наши новые измерения для улучшения нашего понимания этих ядерных эффектов, мы сможем лучше проводить будущие измерения свойств нейтрино".

Техническая задача экспериментов с нейтрино

Нейтрино образуются, когда атомные ядра либо соединяются вместе, либо распадаются на части. Солнце является крупным источником нейтрино, которые являются побочным продуктом солнечного ядерного синтеза. Например, если вы стоите на солнечном свете, триллионы нейтрино будут безвредно проходить через ваше тело каждую секунду.

Несмотря на то, что нейтрино во Вселенной более распространены, чем электроны, ученым труднее экспериментально использовать их в больших количествах: нейтрино проходят сквозь материю, как призраки, в то время как электроны взаимодействуют с материей гораздо чаще.

"В течение года, в среднем, будет происходить взаимодействие только между одним или двумя нейтрино из триллионов, которые проходят через ваше тело каждую секунду", - говорит Цай. "В наших экспериментах существует огромная техническая проблема, заключающаяся в том, что мы должны получить достаточное количество протонов для наблюдения, и мы должны выяснить, как получить достаточное количество нейтрино через это большое скопление протонов".

Использование детектора нейтрино

Исследователи частично решили эту проблему, используя нейтринный детектор, содержащий мишень как из атомов водорода, так и из атомов углерода. Обычно исследователи используют только атомы водорода в экспериментах для измерения протонов. Водород не только самый распространенный элемент во Вселенной, но и самый простой, поскольку атом водорода содержит только один протон и электрон. Но мишень из чистого водорода не была бы достаточно плотной, чтобы достаточное количество нейтрино могло взаимодействовать с атомами.

"Мы выполняем, так сказать, "химический трюк", связывая водород в молекулы углеводородов, которые позволяют обнаруживать субатомные частицы", - говорит Макфарланд.

Группа MINERvA проводила свои эксперименты с использованием мощного ускорителя частиц высокой энергии, расположенного в Fermilab. Ускоритель производит самый сильный источник высокоэнергетических нейтрино на планете.

Исследователи поразили свой детектор, состоящий из атомов водорода и углерода, пучком нейтрино и записали данные за почти девять лет работы.

Чтобы выделить только информацию из атомов водорода, исследователям затем пришлось вычесть фоновый "шум" из атомов углерода.

"Водород и углерод химически связаны друг с другом, поэтому детектор видит взаимодействия сразу на обоих", - говорит Цай. "Я понял, что метод, который я использовал для изучения взаимодействий с углеродом, также может быть использован для того, чтобы увидеть водород сам по себе, если вычесть взаимодействия с углеродом. Большая часть нашей работы заключалась в вычитании очень большого фона от рассеяния нейтрино на протонах в ядре углерода".

Говорит Дебора Харрис, профессор Йоркского университета и один из представителей MINERvA: "Когда мы предложили MINERvA, мы никогда не думали, что сможем извлекать измерения из водорода в детекторе. Выполнение этой работы потребовало от детектора высокой производительности, творческого анализа со стороны ученых и многих лет эксплуатации ускорителя в Фермилабе.

Невозможное становится возможным

Макфарланд тоже изначально думал, что использовать нейтрино для точного измерения сигнала от протонов будет практически невозможно.

"Когда Теджин и наш коллега Ари Бодек (профессор физики Джорджа Э. Пейка в Рочестере) впервые предложили попробовать этот анализ, я подумал, что это будет слишком сложно", - говорит Макфарланд. "Но старый взгляд на протоны был очень тщательно изучен, поэтому мы решили попробовать эту технику, чтобы получить новый взгляд - и это сработало".

По словам Цая, коллективный опыт ученых MINERvA и сотрудничество внутри группы сыграли важную роль в проведении исследования.

"Результаты анализа и разработанные новые методы подчеркивают важность творческого подхода и сотрудничества при понимании данных", - говорит он. "Хотя многие компоненты для анализа уже существовали, правильное их объединение действительно имело значение, и это невозможно сделать без того, чтобы эксперты с разным техническим опытом не поделились своими знаниями, чтобы эксперимент был успешным".

В дополнение к предоставлению дополнительной информации об общей материи, из которой состоит Вселенная, исследование важно для прогнозирования взаимодействий нейтрино для других экспериментов, которые пытаются измерить свойства нейтрино. Эти эксперименты включают нейтринный эксперимент Deep Underground (DUNE), нейтринный детектор Imaging Cosmic И Rare Underground Signals (ICARUS) и нейтринные эксперименты T2K, в которых участвуют Макфарланд и его группа.

"Нам нужна подробная информация о протонах, чтобы ответить на такие вопросы, как, какие нейтрино имеют большую массу, чем другие, и существуют ли различия между нейтрино и их партнерами из антивещества", - говорит Цай. "Наша работа - это один шаг вперед в ответе на фундаментальные вопросы о физике нейтрино, которые являются целью этих крупных научных проектов в ближайшем будущем".