中央中子探測(cè)器安裝在實(shí)驗(yàn)大廳 B 內(nèi)。西爾維婭·尼科萊和她的團(tuán)隊(duì)在伊蕾娜·約里奧-居里兩無限物理實(shí)驗(yàn)室 (IJCLab) 開始建造該探測(cè)器，該實(shí)驗(yàn)室是法國(guó)奧賽國(guó)家科學(xué)研究院、巴黎薩克雷大學(xué)和巴黎城市大學(xué)的聯(lián)合研究單位，由法國(guó)國(guó)家核物理和粒子物理研究所提供資金。圖片來源：西爾維婭·尼科萊

托馬斯杰斐遜國(guó)家加速器設(shè)施的最新進(jìn)展使物理學(xué)家能夠以前所未有的細(xì)節(jié)探索中子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

研究人員利用一種新型探測(cè)器，對(duì)夸克和膠子如何影響核子整體自旋有了更深入的了解，在核物理學(xué)方面取得了重大進(jìn)展。

質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子，是物質(zhì)的基本組成部分。然而，在核物理實(shí)驗(yàn)中，質(zhì)子歷來受到更多關(guān)注——直到現(xiàn)在。

科學(xué)家們首次對(duì)中子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有了初步了解。這一突破性成果發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上，得益于十年來開發(fā)專用探測(cè)器的努力，該探測(cè)器目前安裝在美國(guó)能源部托馬斯·杰斐遜國(guó)家加速器設(shè)施的實(shí)驗(yàn)大廳 B 中。

法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心(CNRS)研究主任西爾維婭·尼科拉說：“我們首次在這種反應(yīng)中探測(cè)到中子，這對(duì)核子研究來說是一個(gè)非常重要的成果。”

提出這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的尼科萊解釋說，這一里程碑將為中子和質(zhì)子的結(jié)構(gòu)和自旋提供寶貴的見解，增進(jìn)我們對(duì)核子行為的理解。

洞察核子結(jié)構(gòu)

核子由更小的粒子組成，稱為夸克和膠子。物理學(xué)家尚未完全了解這些組成粒子在核子內(nèi)部的分布情況，或它們對(duì)整個(gè)核子自旋的影響。實(shí)驗(yàn)人員使用美國(guó)能源部科學(xué)辦公室用戶設(shè)施連續(xù)電子束加速器設(shè)施 (CEBAF) 探測(cè)這些粒子，將電子從核子目標(biāo)上散射，并檢測(cè)這些反應(yīng)的最終產(chǎn)物。

其中一種反應(yīng)稱為深度虛擬康普頓散射 (DVCS)。在 DVCS 中，電子與核子目標(biāo)相互作用。核子吸收電子的部分能量并發(fā)射光子，但不會(huì)斷裂。最后，可以檢測(cè)到三種粒子：撞擊的核子、它發(fā)射的光子以及與核子相互作用的電子。

研究人員已經(jīng)利用 CLAS12 探測(cè)器(代表 12 GeV 束流能量的 CEBAF 大型接受譜儀)及其前身 CLAS 對(duì) DVCS 進(jìn)行了廣泛研究。然而，B 廳的 CLAS 和 CLAS12 探測(cè)器主要用于探索質(zhì)子的 DVCS，這比中子的 DVCS 更容易測(cè)量。

DVCS 中涉及的中子更難探測(cè)，因?yàn)樗鼈兺鶗?huì)從光束線向上 40 度散射，而這是 CLAS12 無法進(jìn)入的區(qū)域。

中央中子探測(cè)器的開發(fā)

“在標(biāo)準(zhǔn)配置下，這些角度不可能探測(cè)到中子，”Niccolai 說道。2007 年，她開始思考 CLAS 核物理學(xué)家合作如何測(cè)量這些中子。她的解決方案是什么?中央中子探測(cè)器。

尼科萊和她在伊蕾娜·約里奧-居里兩無限物理實(shí)驗(yàn)室 (IJCLab) 的團(tuán)隊(duì)在法國(guó)奧賽國(guó)家科學(xué)研究院、巴黎薩克雷大學(xué)和巴黎城市大學(xué)的聯(lián)合研究單位下于 2011 年開始建造該探測(cè)器，資金來自法國(guó)國(guó)家核物理研究所和粒子物理研究所。

該團(tuán)隊(duì)于 2015 年完成了該探測(cè)器的安裝。兩年后，它被安裝在 CLAS12 中。當(dāng)時(shí)在巴黎薩克雷大學(xué)攻讀博士學(xué)位的 Pierre Chatagnon 加入了杰斐遜實(shí)驗(yàn)室的 IJCLab 團(tuán)隊(duì)，負(fù)責(zé)安裝該探測(cè)器。他還編寫了校準(zhǔn)該探測(cè)器的軟件。如今，他已回到杰斐遜實(shí)驗(yàn)室，在 B 廳擔(dān)任博士后。

克服技術(shù)挑戰(zhàn)

中央中子探測(cè)器在2019年至2020年期間收集了數(shù)據(jù)。雖然它能夠覆蓋探測(cè)中子所需的角度，但尼科萊和她的團(tuán)隊(duì)在數(shù)據(jù)分析過程中遇到了一個(gè)意想不到的問題：質(zhì)子污染。

該探測(cè)器的設(shè)計(jì)初衷是丟棄帶電的非中子信號(hào)。然而，他們發(fā)現(xiàn)，探測(cè)器負(fù)責(zé)否決質(zhì)子的部分存在死區(qū)，導(dǎo)致質(zhì)子潛入并污染中子測(cè)量結(jié)果。

幸運(yùn)的是，領(lǐng)導(dǎo)本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的 IJCLab 研究員 Adam Hobart 能夠清理數(shù)據(jù)。

“這個(gè)問題的解決得益于 Adam 使用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)，”Niccolai 說道。“他開發(fā)了一種基于 ML 的工具來區(qū)分假信號(hào)和真實(shí)中子，這對(duì)于我們實(shí)現(xiàn)最終結(jié)果至關(guān)重要。”

將這些 ML 技術(shù)與中央中子探測(cè)器結(jié)合使用，首次實(shí)現(xiàn)了中子 DVCS 測(cè)量，可直接檢測(cè)參與反應(yīng)的中子。束流電子和核子靶之間可以發(fā)生許多過程;直接檢測(cè)中子讓研究人員確信他們確實(shí)檢測(cè)到了 DVCS。

霍巴特說：“如果你沒有探測(cè)到中子，那么對(duì)正在發(fā)生的過程的可能性就會(huì)有一定范圍，然后你以后測(cè)量的可觀測(cè)量的精度就會(huì)降低。”