واکنشی که تنها پروتون‌ها را اندازه‌گیری می‌کرد، برای اولین بار نوترون‌ها را شناسایی کرد
یک آشکارساز جدید در مرکز شتاب‌دهی ملی توماس جفرسون، برای اولین بار نوترون‌ها را در ترکیب‌ها و زوایایی ردیابی کرده که پیش از این غیر قابل ردیابی بودند.
تیم پشت این دستگاه جدید به نام آشکارساز مرکزی نوترون، در دهه گذشته روی توسعه و بهینه‌سازی این ماشین متمرکز بوده است. آنها اخیراً از این آشکارساز در واکنشی به نام پراکندگی عمیقاً مجازی کامپتون (DVCS) استفاده کردند.
این واکنش پیشتر امکان اندازه‌گیری پروتون‌ها را فراهم کرده بود. اما تشخیص نوترون‌ها در DVCS کار دشواری بود. برای اولین بار، محققان توانستند نوترون‌ها را با استفاده از همان واکنش و آشکارساز مرکزی نوترون شناسایی کنند.
سیلویا نیکولای، یکی از محققان گفت: «ما نوترون‌ها را برای اولین بار در این نوع واکنش شناسایی کردیم و این یک نتیجه بسیار مهم برای مطالعه هسته‌ها است.»
شناسایی نوترون غیر قابل شناسایی
در طول DVCS معمولی، یک هسته (پروتون و نوترون به صورت جمعی) با یک الکترون تعامل می‌کند. این واکنش بخشی از انرژی الکترون را به هسته منتقل می‌کند و باعث انتشار فوتون‌ها می‌شود.
دانشمندان سپس از آشکارسازهای ذراتی مانند CLAS و CLAS12 برای اندازه‌گیری الکترون، پروتون و هسته از واکنش استفاده می‌کنند. اما آنها در تشخیص جداگانه نوترون‌ها ناموفق هستند چرا که این ذرات الکتریکی خنثی‌اند و سیگنال مستقیم در آشکارسازها برجای نمی‌گذارند.
همچنین، نوترون‌ها معمولاً در زاویه ۴۰ درجه پخش می‌شوند که خارج از محدوده تشخیص CLAS و CLAS12 است. نیکولای گفت: «در پیکربندی استاندارد، تشخیص نوترون‌ها در این زوایا ممکن نبود.»
در عوض، آشکارساز مرکزی نوترون می‌تواند نوترون‌ها را در تمام چنین زوایایی تشخیص دهد. مشکل اولیه‌ای که وجود داشت آلودگی پروتونی بود که گاهی اوقات مانع جلوگیری از مشارکت پروتون‌ها در اندازه‌گیری نوترون‌ها می‌شد.
این امر اغلب منجر به تشخیص‌های نادرست می‌شد. با این حال، نویسندگان مطالعه این مشکل را با استفاده از ابزارهای مبتنی بر یادگیری ماشین حل کردند که سیگنال‌های نوترون را با دقت از سیگنال‌های پروتون جدا می‌کردند.
«این مسئله با توجه به تجربه آدم با فناوری‌های یادگیری ماشین حل شد. او ابزار مبتنی بر یادگیری ماشین را برای تشخیص سیگنال‌های جعلی از نوترون‌های واقعی توسعه داد و این برای رسیدن به نتایج نهایی ما بسیار حیاتی بود،» نیکولای توضیح داد. (آدم هوبارت محقق اصلی است)
نهایتاً با کمک ابزار یادگیری ماشین، آشکارساز مرکزی نوترون اولین اندازه‌گیری نوترون در واکنش DVCS را ممکن ساخت.
توانایی عجیب آشکارساز مرکزی نوترون
آشکارساز مرکزی نوترون نه تنها به محققان اجازه داد تا نوترون‌ها را شناسایی کنند بلکه به درک ساختار درونی این ذره نیز کمک کرد.
به عنوان مثال، اندازه‌گیری نوترون در DVCS یک عدم تقارن را برجسته کرد که بیشتر به محققان در درک توزیع نظری E (توزیع های عمومی پارتون E) کمک کرد، یکی از چهار چارچوب نظری که نحوه توزیع کوارک‌ها و گلوئون‌ها را تبیین می‌کند.
کوارک‌ها و گلوئون‌ها ذرات ابتدایی هستند که پروتون‌ها و نوترون‌ها را تشکیل می‌دهند. درک توزیع آنها می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا به درک عمیق‌تری از ویژگی‌ها و رفتار هسته‌ها برسند.
برای مثال، GPD E می‌تواند به تنهایی اطلاعات ارزشمندی درباره ساختار اسپین هسته‌ها ارائه دهد. علاوه بر این، هنگامی که در کنار سه GPD دیگر مورد مطالعه قرار می‌گیرد، می‌تواند چندین راز مرتبط با هسته‌ها را که هنوز باعث شگفتی دانشمندان می‌شود، حل کند.
این مطالعه در نشریه Physical Review Letters منتشر شده است.
