Afbeeldingen van de Romeinse godin van de wijsheid Minerva tonen haar in vloeiende gewaden, met een nobele oorlogshelm op en een uil in de hand. Het MINERvA-experiment daarentegen beschikt over een enorme deeltjesdetector met de namen van samenwerkende wetenschappers op de voorkant gekrabbeld.

Hoewel het er heel anders uitziet, biedt dit neutrino-experiment diepe wijsheid aan wetenschappers, net als zijn naamgenoot. Onder de vele inzichten hebben wetenschappers MINERvA gebruikt om de grootte en structuur van protonen, een van de bouwstenen van atomen, beter te begrijpen.

MINERvA is een neutrinoverstrooiingsexperiment in het Fermilab van het Department of Energy. Neutrino's zijn kleine, elektrisch neutrale deeltjes die ongelooflijk overvloedig aanwezig zijn. De zon, andere sterren en veel verschillende objecten produceren ze als gevolg van atoomreacties. In feite zijn er meer neutrino's in het universum dan enig ander deeltje met massa.

Ondanks dat ze alomtegenwoordig zijn, merken we nooit neutrino’s op, omdat ze vrijwel nooit ergens mee reageren. Het bestuderen van neutrino's is essentieel om te begrijpen hoe ons universum in het verleden is gevormd en nu functioneert.

Om dit fundamentele deeltje beter te begrijpen, bestuderen wetenschappers hoe neutrino's interageren met materialen in de zeldzame gevallen dat ze dat ook daadwerkelijk doen. De missie van MINERvA is om deze interacties vast te leggen.

Het maakt gebruik van een neutrinobundel met hoge intensiteit om te bestuderen hoe deze interageren met de kernen van vijf verschillende elementen. Door de neutrino's doelen te laten raken die gemaakt zijn van verschillende materialen – water, helium, koolstof, ijzer, lood en plastic – kunnen wetenschappers de reacties vergelijken. Door de verschillende interacties in kaart te brengen, kunnen wetenschappers de resultaten van andere experimenten, zoals het komende Deep Underground Neutrino Experiment, analyseren.

Naast dit doel hebben wetenschappers van de MINERvA-samenwerking nog een slim gebruik van hun gegevens bedacht:het onderzoeken van de grootte en structuur van het proton.

Samen met neutronen vormen protonen de kernen van de atomen waaruit wij en alles om ons heen bestaan. Ze zijn een van de bouwstenen van de materie waarmee we elke dag omgaan.

Maar het bestuderen van subatomaire deeltjes is een stuk lastiger dan het bestuderen van grotere objecten. Subatomaire deeltjes zijn veel te klein om te bestuderen met gewone gereedschappen zoals microscopen. Bovendien heeft de ‘grootte’ van een subatomair deeltje niet helemaal dezelfde betekenis als de grootte van een object dat je met een liniaal kunt meten. In plaats daarvan bestuderen wetenschappers de krachten die het proton bij elkaar houden.

In het verleden hebben wetenschappers de grootte van het proton bestudeerd met behulp van de elektromagnetische kracht. Elektromagnetisme is een van de vier fundamentele krachten van het universum. Magnetische velden, elektrische velden en zelfs licht vallen onder de elektromagnetische kracht. Het bindt elektronen aan de kern (gemaakt van protonen en neutronen) in het atoom. Het is ook gedeeltelijk verantwoordelijk voor de structuur van de kern.

Om de grootte van het proton weer te geven, hebben wetenschappers doorgaans de elektrische ladingsradius gebruikt. Dat is de gemiddelde straal van de elektrische lading verdeeld in het proton. Om dit kenmerk te meten, richten wetenschappers een elektronenbundel op een enkele energie op een doel. De elektronen vliegen in veel verschillende richtingen en energieën weg van de protonen, waardoor wetenschappers informatie krijgen over de interne structuur van de protonen.

Met behulp van deze techniek zijn wetenschappers erin geslaagd een zeer nauwkeurige meting te maken van de grootte van de gemiddelde elektrische ladingsradius van het proton, en dus van de quarks die voor de elektrische lading zorgen.

Onder leiding van Tejin Cai (toen een promovendus aan de Universiteit van Rochester) had de MINERvA-samenwerking een andere aanpak. Het idee was om antineutrino's, de antimaterie-tweelingbroer van neutrino's, te gebruiken om protonen te bestuderen.

Omdat neutrino's (en antineutrino's) geen lading hebben, zouden ze geen interactie hebben via de elektromagnetische kracht. In plaats daarvan zouden de neutrino's op elkaar inwerken via de zwakke kracht in de protonen. De zwakke kracht en zwaartekracht zijn de enige twee manieren waarop neutrino's met wat dan ook interageren.

Ondanks zijn naam is de zwakke kracht krachtig. Nog een van deze vier fundamentele krachten:het maakt het proces mogelijk waarbij protonen in neutronen veranderen of omgekeerd. Deze processen zijn de drijvende kracht achter de kernreacties van de zon en andere sterren. Neutrino's bieden een uniek hulpmiddel om de zwakke kracht te bestuderen.

Maar de zwakke kracht speelt alleen een rol als deeltjes heel, heel dicht bij elkaar zijn. Terwijl neutrino's door de ruimte vliegen, bewegen ze zich meestal door de (relatief) uitgestrekte ruimtes tussen de elektronen van een atoom en de kern.

Meestal zijn neutrino's simpelweg niet dicht genoeg bij protonen om via de zwakke kracht te kunnen interageren. Om voldoende metingen te kunnen doen, moeten wetenschappers duizelingwekkende aantallen neutrino's of antineutrino's op een doel schieten.

De krachtige neutrinostraal en diverse doelen van MINERvA maakten dat doel mogelijk. In een ideale wereld zouden wetenschappers neutrino’s richten op een doelwit gemaakt van pure neutronen, of antineutrino’s op een doelwit gemaakt van pure protonen. Op deze manier konden wetenschappers de meest specifieke metingen verkrijgen. Helaas is dat geen erg realistische experimentele opstelling.

Maar MINERvA had al het op één na beste:veel antineutrino's en een doelwit gemaakt van polystyreen. Het materiaal waaruit piepschuim bestaat, polystyreen, is gemaakt van waterstof gebonden aan koolstof. Met behulp van dit doelwit zouden wetenschappers kunnen meten hoe antineutrino's interageren met zowel waterstof als koolstof.

Om waterstof van koolstof te scheiden, kozen de wetenschappers voor een aanpak die vergelijkbaar is met het maken van een foto en vervolgens het verwijderen van de achtergrond, zodat je je op slechts een paar items kunt concentreren. Om deze ‘achtergrond’-neutrino-koolstofinteracties vast te stellen, keken de wetenschappers naar neutronen.

Wanneer antineutrino's interageren met protonen in koolstof of protonen zelf in waterstof, produceren ze neutronen. Door de neutronen te volgen, zouden wetenschappers achteruit kunnen werken om de koolstof-antineutrino-interacties te identificeren en te verwijderen uit de waterstof-antineutrino-interacties.

Het verkrijgen van het benodigde aantal interacties stelde de capaciteiten van MINERvA echt op de proef. In de loop van drie jaar hebben wetenschappers meer dan een miljoen interacties van antineutrino's met andere deeltjes geregistreerd. Slechts 5.000 daarvan waren met waterstof.

Dankzij die gegevens konden de wetenschappers uiteindelijk de grootte van het proton berekenen met behulp van neutrino's. In plaats van de elektrische ladingsradius berekenden ze de zwakke ladingsradius van het proton. Het was de eerste keer dat wetenschappers neutrino's hebben gebruikt om een ​​statistisch significante meting van dit kenmerk te maken.

Rekening houdend met de onzekerheden lag het resultaat zeer dicht bij de eerdere metingen van de elektrische ladingsradius van het proton. Omdat het fundamenteel de ruimtelijke verdeling meet van quarks en gluonen waaruit het proton bestaat, werd verwacht dat de waarde vergelijkbaar zou zijn.

Deze nieuwe techniek geeft wetenschappers een extra hulpmiddel in hun gereedschapskist om de structuur van het proton te bestuderen. Het is een bewijs van de wijsheid die we kunnen verwerven als wetenschappers creatief nadenken over het gebruik van bestaande experimenten om nieuwe onderzoeksgebieden te verkennen.

Aangeboden door het Amerikaanse ministerie van Energie