《自然》：“幽灵般”的中微子为研究质子结构提供了突破性的新方法

诸平

Fig. 1 MINERvA, an international collaboration of scientists, led by the University of Rochester, has made history by using neutrinos to study the structure of protons. This groundbreaking research was published in the journal Nature and was conducted at the Fermi National Accelerator Laboratory.

Fig. 2 Members of the international collaboration MINERvA, including University of Rochester researchers, used a particle accelerator at Fermilab—a portion of which is shown in a stylized image above—to create a beam of neutrinos to investigate the structure of protons. The work was part of the MINERvA experiment, a particle physics experiment to study neutrinos. Credit: Reidar Hahn/Fermilab

据美国罗彻斯特大学（University of Rochester）2023年2月6日报道，“幽灵般”的中微子为研究质子结构提供了突破性的新方法(“Ghostly” Neutrinos Provide Groundbreaking New Way To Investigate the Structure of Protons)。

MINERvA （Main Injector Neutrino ExpeRiment to study v-A interactions）是由罗切斯特大学领导的国际科学家合作组织，它通过使用中微子研究质子结构创造了历史。这项开创性的研究是在费米国家加速器实验室（Fermi National Accelerator Laboratory, or Fermilab）进行的，相关研究结果于2023年2月1日已经在《自然》（Nature）杂志网站发表——T. Cai, M. L. Moore, A. Olivier, S. Akhter, Z. Ahmad Dar, V. Ansari, M. V. Ascencio, A. Bashyal, A. Bercellie, M. Betancourt, A. Bodek, J. L. Bonilla, A. Bravar, H. Budd, G. Caceres, M. F. Carneiro, G. A. Díaz, H. da Motta, J. Felix, L. Fields, A. Filkins, R. Fine, A. M. Gago, H. Gallagher, S. M. Gilligan, R. Gran, E. Granados, D. A. Harris, S. Henry, D. Jena, S. Jena, J. Kleykamp, A. Klustová, M. Kordosky, D. Last, T. Le, A. Lozano, X.-G. Lu, E. Maher, S. Manly, W. A. Mann, C. Mauger, K. S. McFarland, B. Messerly, J. Miller, O. Moreno, J. G. Morfín, D. Naples, J. K. Nelson, C. Nguyen, V. Paolone, G. N. Perdue, K.-J. Plows, M. A. Ramírez, R. D. Ransome, H. Ray, D. Ruterbories, H. Schellman, C. J. Solano Salinas, H. Su, M. Sultana, V. S. Syrotenko, E. Valencia, N. H. Vaughan, A. V. Waldron, M. O. Wascko, C. Wret, B. Yaeggy, L. Zazueta. Measurement of the axial vector form factor from antineutrino–proton scattering. Nature,  Published: 01 February 2023. Volume 614, Pages: 48–53. DOI: 10.1038/s41586-022-05478-3. https://www.nature.com/articles/s41586-022-05478-3

参与此项研究的除了来自罗彻斯特大学的研究人员之外，还有来自加拿大多伦多的约克大学（York University, Toronto, Ontario, Canada）、印度阿里加尔的AMU校园（AMU Campus, Aligarh, India）、美国威廉斯堡的威廉-玛丽学院（William & Mary, Williamsburg, VA, USA）、美国俄勒冈州立大学科瓦利斯分校（Oregon State University, Corvallis, OR, USA）、美国巴达维亚的费米国家加速器实验室（Fermi National Accelerator Laboratory, Batavia, IL, USA）、美国圣母大学（University of Notre Dame, IN, USA）、美国梅德福的塔夫茨大学（Tufts University, Medford, MA, USA）、美国明尼苏达大学德卢斯分校（University of Minnesota – Duluth, Duluth, MN, USA）、美国费城宾夕法尼亚大学（University of Pennsylvania, Philadelphia, PA, USA）、美国北亚当斯的马萨诸塞州文科学院（Massachusetts College of Liberal Arts, North Adams, MA, USA）、美国宾夕法尼亚州匹兹堡大学（University of Pittsburgh, Pittsburgh, PA, USA）、美国佛罗里达大学（University of Florida, Gainesville, FL, USA）、美国新泽西州立大学（The State University of New Jersey, Piscataway, NJ, USA）；秘鲁利马天主教大学（Pontificia Universidad Católica del Perú, Lima, Peru）、秘鲁利马国家工程大学（Universidad Nacional de Ingeniería, Lima, Peru）；英国伦敦帝国理工学院（Imperial College London, London, UK）、英国考文垂华威大学（University of Warwick, Coventry, UK）、英国牛津大学（University of Oxford, UK）、英国伦敦玛丽女王大学（Queen Mary University of London, UK）；墨西哥瓜纳华托大学（Universidad de Guanajuato, Mexico）、瑞士日内瓦大学（University of Geneva, Switzerland）、巴西里约热内卢的巴西物理研究中心（Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas, Rio de Janeiro, Brazil）、印度科学教育和研究研究所（Indian Institutes of Science Education and Research简称IISERs, Mohali, India)以及智利瓦尔帕莱索的费德里科·圣玛丽亚技术大学（Universidad Técnica Federico Santa María, Valparaíso, Chile）的研究人员。

科学家们发现了一种使用中微子（neutrinos）也被称为“幽灵粒子”（‘ghost particles’）研究质子结构的新方法。

中微子是我们宇宙中最丰富的粒子之一，但众所周知，它们很难检测和研究：它们不带电荷，几乎没有质量。它们通常被称为“幽灵粒子”，因为它们很少与原子相互作用。但由于它们如此丰富，它们在帮助科学家回答有关宇宙的基本问题方面发挥着重要作用。

由罗彻斯特大学的研究人员领导的这项研究，即发表于《自然》杂志的研究成果，其中描述的开创性研究，是来自国际合作组织MINERvA的科学家，首次在费米国家加速器实验室（Fermilab）使用一束中微子来研究质子结构的。

国际合作组织MINERvA的成员，包括罗彻斯特大学的研究人员，使用费米实验室的粒子加速器（其中一部分如图2所示）产生中微子束以研究质子的结构。这项工作是MINERvA实验的一部分，MINERvA实验是一项研究中微子的粒子物理实验,研究人员并未着手研究质子。但是他们的壮举，曾经被认为是不可能的，为科学家们提供一种观察原子核的小组成部分的新方法。

MINERvA是研究ν-A相互作用的主注入器中微子实验（Main Injector Neutrino ExpeRiment to study ν-A interactions的缩写），是一项研究中微子的粒子物理实验。MINERvA位于美国伊利诺伊州巴达维亚的费米国家加速器实验室（Fermi National Accelerator Laboratory in Batavia, Illinois, USA）地下100 m处，旨在测量中微子与各种材料的相互作用。这是第一个使用高强度中微子束同时研究中微子在从氦(He)到铅(Pb)的各种原子核上的相互作用的实验。

该实验由来自24家机构和9个国家的近70名科学家的国际合作进行的实验。

MINERvA提供了关于原子核结构和影响中微子相互作用力的动力学的前所未有的数据。这些信息对于帮助科学家解开粒子物理学的一些最大谜团非常重要，包括物质如何在宇宙中主宰反物质，从而形成行星和生命。

 “当我们研究中微子作为MINERvA实验的一部分时，我意识到我正在使用的一种技术可能适用于研究质子，”该论文的第一作者蔡忒金（Tejin Cai音译）说。蔡忒金现在是加拿大约克大学的博士后研究助理，作为罗彻斯特大学凯文·麦克法兰（Kevin McFarland）博士生、也是罗彻斯特大学物理学教授朱棣文博士（Dr. Steven Chu）和该大学中微子小组（University’s Neutrino Group）的主要成员进行了这项研究。蔡忒金说：“起初我们不确定它是否可行，但我们最终发现我们可以使用中微子来测量构成原子核的质子的大小和形状。这就像用鬼尺（ghost ruler）来测量一样。”

使用粒子束测量质子(Using particle beams to measure protons)

原子以及构成原子核的质子和中子非常小，研究人员很难直接测量它们。相反，他们通过用一束高能粒子轰击原子来构建原子成分的形状和结构图。然后，他们测量粒子从原子组成反弹的距离和角度。

想象一下，例如，向一个盒子扔弹珠。弹珠会以特定角度弹离盒子，使您能够确定盒子的位置，并确定它的大小和形状，即使盒子对您来说是看不见的。

“这是一种非常间接的测量方法，但它使我们能够将物体的结构（在本例中为质子）与我们在不同角度看到的偏转量联系起来，”凯文·麦克法兰说。

中微子束能告诉我们什么？(What can neutrino beams tell us?) 

研究人员在20世纪50年代首次测量了质子的大小，他们在斯坦福大学的直线加速器设施（Stanford University’s linear accelerator facility）中使用带有电子束的加速器。但是，由蔡忒金、凯文·麦克法兰和他们的同事开发的新技术并没有使用加速电子束，而是使用中微子束。

凯文·麦克法兰说，虽然新技术不会产生比旧技术更清晰的图像，但它可能会为科学家提供有关中微子和质子如何相互作用的新信息——他们目前只能通过理论计算或理论与其他测量相结合来推断的信息。

在将新技术与旧技术进行比较时，凯文·麦克法兰将这一过程比作在正常可见光下观察花朵，然后在紫外线下观察花朵。

凯文·麦克法兰说：“你看着同一朵花，但在不同种类的光线下你会看到不同的结构。我们的图像并不更精确，但中微子测量为我们提供了不同的视角。”

具体来说，他们希望利用这项技术将中微子散射对质子的影响与中微子散射对原子核的影响分离开来，原子核是质子和中子的结合集合。

“我们之前预测质子散射中微子的方法都使用理论计算，但这个结果直接测量了这种散射，”蔡忒金说。

凯文·麦克法兰补充说：“通过使用我们的新测量来提高我们对这些核效应的理解，我们将能够更好地进行未来对中微子特性的测量。”

中微子实验的技术挑战(The technical challenge of experimenting with neutrinos)

中微子是在原子核聚集或分裂时产生的。太阳是中微子的重要来源，中微子是太阳核聚变的副产品。例如，如果你站在阳光下，每秒会有数万亿个中微子无害地穿过你的身体。

尽管中微子在宇宙中比电子更丰富，但科学家们更难通过实验大量利用它们：中微子像幽灵一样穿过物质，而电子与物质的相互作用要频繁得多。

蔡忒金说：“在一年的过程中，平均而言，每秒通过你身体的数万亿个中微子中只有一两个中微子之间会发生相互作用。我们的实验面临着巨大的技术挑战，因为我们必须获得足够多的质子来观察，而且我们必须弄清楚如何通过大量的质子获得足够的中微子。”

中微子探测器执行“化学技巧”(A neutrino detector performs a ‘chemical trick’)

研究人员通过使用包含氢原子和碳原子目标的中微子探测器部分解决了这个问题。通常，研究人员在实验中仅使用氢原子来测量质子。氢不仅是宇宙中最丰富的元素，它也是最简单的元素，因为氢原子只包含一个质子和一个电子。但是纯氢靶的密度不足以让足够多的中微子与原子相互作用。

“可以说，我们正在执行一个'化学技巧'，通过将氢结合到碳氢化合物分子中，使其能够检测到亚原子粒子，”凯文·麦克法兰说。

MINERvA小组使用位于费米实验室的高功率、高能粒子加速器进行了实验。加速器产生地球上最强的高能中微子源。研究人员用中微子束撞击他们由氢和碳原子制成的探测器，并记录了近9年的运行数据。为了仅从氢原子中分离出信息，研究人员随后不得不从碳原子中减去背景“噪音”。

蔡忒金说：“氢和碳化学键合在一起，所以探测器可以同时看到两者的相互作用。我意识到我用来研究碳相互作用的技术也可以用来在减去碳相互作用后单独观察氢。我们工作的很大一部分是从碳核质子上散射的中微子中减去非常大的背景。”

约克大学教授兼 MINERvA 联合发言人黛博拉·哈里斯（Deborah Harris）说：“当我们提出 MINERvA时，我们从未想过我们能够从探测器中的氢气中提取测量值。完成这项工作需要探测器的出色性能、科学家的创造性分析以及费米实验室加速器的多年运行。”

不可能变成可能（The impossible becomes possible）

凯文·麦克法兰最初也认为使用中微子来精确测量质子信号几乎是不可能的。

“当蔡忒金和我们的同事、罗彻斯特大学物理学教授阿里·博德克（Arie Bodek）第一次建议尝试这种分析时，我认为这太难了，”凯文·麦克法兰说，“但是质子的旧观点已经被非常彻底地探索过，所以我们决定尝试这种技术来获得新观点——而且它奏效了。”

蔡忒金说，MINERvA科学家的集体专业知识和团队内部的合作对于完成这项研究至关重要。“分析的结果和开发的新技术突出了在理解数据方面发挥创造力和协作的重要性。虽然用于分析的许多组件已经存在，但以正确的方式将它们组合在一起确实产生了影响，如果没有具有不同技术背景的专家分享他们的知识以使实验取得成功，这是不可能做到的。”

除了提供有关构成宇宙的常见物质的更多信息外，该研究对于预测中微子相互作用及对于其他试图测量中微子特性的实验也很重要。这些实验包括深地下中微子实验（ Deep Underground Neutrino Experiment简称DUNE）、成像宇宙和稀有地下信号（Imaging Cosmic And Rare Underground Signals简称ICARUS）中微子探测器，以及凯文·麦克法兰和他的团队参与的T2K中微子实验（T2K neutrino experiments）。

蔡忒金说：“我们需要有关质子的详细信息来回答诸如哪些中微子比其他中微子质量更大以及中微子与其反物质伙伴之间是否存在差异等问题。我们的工作是在回答有关中微子物理学的基本问题方面向前迈出的一步，这些基本问题是这些大型科学项目在不久的将来的目标。”

本研究得到了美国国家科学基金会（United States National Science Foundation under award no. PHY-0619727）和罗切斯特大学的资助或支持。美国国家科学基金会(NSF, USA)和美国能源部(DOE, USA)、加拿大自然科学与工程研究理事会(NSERC, Canada)、巴西CAPES和CNPq(CAPES and CNPq, Brazil)、墨西哥国家科学技术委员会(CoNaCyT, Mexico)、智利国家科技研究委员会(Proyecto Basal FB 0821, CONICYT PIA ACT1413, and Fondecyt 3170845 and 11130133, Chile)、秘鲁国家科学、技术和技术创新委员会(Consejo Nacional de Ciencia, Tecnología e Innovación Tecnológica简称CONCYTEC)、秘鲁天主教大学研究管理理事会(Dirección de Gestión de la Investigación-Pontificia Universidad Católica del Peru简称DGI-PUCP）、秘鲁国立工程大学研究副校长(Vice-Rectorate for Research of National University of Engineering简称VRI-UNI, Peru)、波兰NCN（NCN Opus grant no. 2016/21/B/ST2/01092, Poland）、英国科学技术设施委员会(Science and Technology Facilities Council, UK)以及欧盟地平线2020玛丽·斯科佐夫斯卡-居里行动（EU Horizon 2020 Marie Skłodowska-Curie Action）为参与的科学家提供了支持。

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Abstract

Scattering of high energy particles from nucleons probes their structure, as was done in the experiments that established the non-zero size of the proton using electron beams¹. The use of charged leptons as scattering probes enables measuring the distribution of electric charges, which is encoded in the vector form factors of the nucleon². Scattering weakly interacting neutrinos gives the opportunity to measure both vector and axial vector form factors of the nucleon, providing an additional, complementary probe of their structure. The nucleon transition axial form factor, F_A, can be measured from neutrino scattering from free nucleons, ν_μn → μ⁻p and νˉμp→μ+nνˉμp→μ+n, as a function of the negative four-momentum transfer squared (Q²). Up to now, F_A(Q²) has been extracted from the bound nucleons in neutrino–deuterium scattering^{3,4,5,6,7,8,9}, which requires uncertain nuclear corrections¹⁰. Here we report the first high-statistics measurement, to our knowledge, of the νˉμp→μ+nνˉμp→μ+n cross-section from the hydrogen atom, using the plastic scintillator target of the MINERvA¹¹ experiment, extracting F_A from free proton targets and measuring the nucleon axial charge radius, r_A, to be 0.73 ± 0.17 fm. The antineutrino–hydrogen scattering presented here can access the axial form factor without the need for nuclear theory corrections, and enables direct comparisons with the increasingly precise lattice quantum chromodynamics computations^12,13,14,15. Finally, the tools developed for this analysis and the result presented are substantial advancements in our capabilities to understand the nucleon structure in the weak sector, and also help the current and future neutrino oscillation experiments^{16,17,18,19,20} to better constrain neutrino interaction models.