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2024-11-24 18:48:00
実験ホール B に設置された中央中性子検出器。フランスのオルセーにある CNRS の共同研究ユニットである 2 つの無限の物理学研究室イレーヌ・ジョリオ＝キュリー (IJCLab) のシルビア・ニコライと彼女のチーム、パリ・サクレー大学、パリ市立大学は、フランス国立素粒子物理学研究所からの資金提供を受けて、2011年に検出器の建設を開始した。クレジット: シルビア・ニコライ
トーマス・ジェファーソン国立加速器施設の最近の進歩により、物理学者は中性子の内部構造をかつてないほど詳細に調査できるようになりました。
新しい検出器を使用することで、研究者らはクォークとグルーオンが核子の全体的なスピンにどのように寄与するのかについてより深い理解を達成し、核物理学に大きな進歩をもたらしました。
陽子と中性子は、総称して核子として知られ、物質の基本的な構成要素です。しかし、原子核物理学実験に関しては、これまで歴史的には陽子がより注目されてきました。
科学者たちは初めて、中性子の内部構造を垣間見ることができました。この画期的な成果は、 物理的なレビューレターは、特殊な検出器を開発する10年にわたる努力によって可能となり、現在は米国エネルギー省のトーマス・ジェファーソン国立加速器施設の実験ホールBに設置されています。
フランス国立科学研究センター（CNRS）の研究主任シルビア・ニコライ氏は、「この種の反応で初めて中性子を検出した。これは核子の研究にとって非常に重要な結果だ」と述べた。
この実験を提案したニコライ氏は、このマイルストーンは中性子と陽子の両方の構造とスピンに関する貴重な洞察を提供し、核子の挙動についての理解を進めるだろうと説明した。
核子の構造に関する洞察
研究者は、12 GeV ビームエネルギーの CEBAF Large Acceptance Spectrometer の略である CLAS12 検出器と、その前身である CLAS を使用して、DVCS を広範囲に研究してきました。ただし、ホール B の CLAS および CLAS12 検出器は主に陽子上の DVCS を調査するために使用されており、中性子上の DVCS よりも測定が容易です。
DVCS に関与する中性子は、ビームラインから上方 40 度で散乱する傾向があり、CLAS12 がアクセスできない領域であるため、検出がより困難です。
中央中性子検出器の開発
「標準的な構成では、これらの角度では中性子を検出できませんでした」とニッコライ氏は述べた。 2007 年に、彼女は核物理学者の CLAS 協力によってこれらの中性子をどのように測定できるかについて考え始めました。彼女の解決策は？中央中性子検出器。
チームは 2015 年に検出器を完成させ、2 年後に CLAS12 に搭載されました。ピエール・シャタニオン博士当時パリ・サクレー大学の学生だった彼は、ジェファーソン研究所の IJCLab チームに加わり、検出器を設置しました。彼はそれを調整するソフトウェアも書きました。現在、彼はホール B のポスドクとしてジェファーソン研究所に戻りました。
技術的課題の克服
中央中性子検出器は、2019 年から 2020 年にかけてデータを収集しました。中性子検出に必要な角度はカバーできましたが、ニコライ氏とそのチームはデータ分析中に予期せぬ問題、つまり陽子汚染に遭遇しました。
検出器は、帯電した非中性子信号を廃棄するように設計されました。しかし、陽子を拒否する役割を担う検出器の部分には不感帯があり、陽子が侵入して中性子の測定を汚染する可能性があることが判明した。
幸いなことに、この実験のデータ分析を主導した IJCLab の研究者アダム・ホバートはデータをクリーンアップすることができました。
「この問題は、機械学習技術を使用したアダムの経験のおかげで解決されました」とニッコライ氏は言いました。 「彼は偽の信号を本物の中性子から区別するための ML ベースのツールを開発しました。これは最終結果を達成するために不可欠でした。」
これらの ML 技術を中央中性子検出器と併用することで、反応に関与する中性子を直接検出する中性子に対する DVCS の最初の測定が可能になりました。ビーム電子と核子ターゲットの間では多くのプロセスが発生する可能性があります。中性子を直接検出することで、研究者は実際に DVCS を検出しているという確信を得ることができます。
「中性子を検出していない場合、進行中のプロセスについて一定の範囲の可能性があり、その後測定する観測量の精度が低くなります」とホバート氏は述べた。
核物理学の進歩
一般化パートン分布 (GPD) として知られる理論的枠組みは、散乱実験で得られた測定結果を、核子内部のパートン (クォークとグルーオンの総称) の分布に関する情報に変換します。 GPD には 4 つのタイプがあります。この実験による中性子測定により、研究者らは GPD E と呼ばれる最も知られていないタイプの 1 つにアクセスすることができました。
実験中、CEBAF のビームは偏光していました。これは、その電子のスピンが同じ方向を向いていたことを意味します。これにより研究者らは、ビームの回転に依存する非対称性として知られる観測値を抽出することができました。この非対称性により、前例のない精度で GPD E を抽出することができました。
「GPD Eは、核子のスピン構造に関する情報を私たちに与えてくれるので、非常に重要です」とニッコライ氏は語った。
GPD E を他の GPD と組み合わせると、構成クォークが核子の総スピンにどれだけ寄与しているかを定量化できますが、これは現時点では不明です。この計算は今後の研究で実行されることになるが、今回の研究で研究者らは、いわゆる「核子のスピン危機」の解決に向けて新たな一歩を踏み出した。
核子には、アップとダウンの 2 種類のクォーク (フレーバー) が含まれています。陽子には 2 つのアップ クォークと 1 つのダウン クォークがあります。中性子には 2 つのダウン クォークと 1 つのアップ クォークがあります。 GPD はクォークのフレーバーによって分割できます。
「CLASのコラボレーション全体に感謝しなければなりません」とホバート氏は語った。 「データの取得と処理は共同作業です。」
今後の方向性と成果
原理の証明を手に入れた研究者らは、次に CLAS12 と中央中性子検出器を使ってさらに多くのデータを収集し、さらに正確な測定を行うことを計画しています。
「しかし、この最初の結果は重大だ」とニコライ氏は語った。 「これは私がキャリアの中で全責任を負った最初のプロジェクトなので、サイクルが完了し、生涯にわたる成果を達成したように感じます。ついに物理的に意味のある結果に到達し、それが出版されると、また赤ちゃんが生まれたような気分になります。」
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DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.211903
#科学者が物質の隠れた層を発見