托马斯·杰斐逊国家加速器设施的最新进展，使物理学家能够以前所未有的细节探索中子的内部结构。
利用一种新的探测器，研究人员对夸克和胶子如何影响核子的整体自旋有了更深入的了解，在核物理学上取得了重大进展。
质子和中子，合称为核子，是物质的基本组成部分。然而，当涉及到核物理实验时，质子在历史上受到了更多的关注 —— 直到现在。
科学家们第一次窥见了中子的内部结构。这一突破发表在《物理评论快报》上，它是通过长达十年的努力开发一种专门的探测器而成为可能的，这种探测器现在安装在美国能源部托马斯·杰斐逊国家加速器设施的实验大厅B中。
法国国家科学研究中心（CNRS）的研究主任西尔维娅·尼科莱（Silvia Niccolai）说：“我们首次在这种类型的反应中检测到中子，这对核子的研究来说是一个相当重要的结果。”
提出这个实验的尼科莱解释说，这个里程碑将为中子和质子的结构和自旋提供有价值的见解，促进我们对核子行为的理解。
对核子结构的洞察
核子是由叫做夸克和胶子的更小的粒子组成的。物理学家还没有完全理解这些组成粒子是如何分布在核子内部的，或者它们是如何影响核子的整体自旋的。实验人员使用连续电子束加速器设备（CEBAF）（美国能源部科学办公室的用户设备）来探测这些粒子，将电子从核子目标上散射出去，并检测这些反应的最终产物。
其中一种反应被称为深虚康普顿散射（DVCS）。在DVCS中，电子与核子靶相互作用。核子吸收了一些电子的能量并释放出光子，但不会断裂。最后，可以检测到三种粒子：撞击的核子，它发射的光子，以及与核子相互作用的电子。
研究人员已经使用CLAS12探测器和它的前身CLAS对DVCS进行了广泛的研究。CLAS12探测器是CEBAF 12 GeV光束能量大接收光谱仪的缩写。然而，B厅的CLAS和CLAS12探测器大多用于探测质子上的DVCS，质子上的DVCS比中子上的DVCS更容易测量。
DVCS中涉及的中子更难探测，因为它们倾向于从光束线向上散射40度，这是CLAS12无法进入的区域。
中央中子探测器的研制
“在标准配置中，在这些角度没有可能检测到中子，”尼科莱说。2007年，她开始思考CLAS与核物理学家的合作如何测量这些中子。她的解决方案吗?中央中子探测器。
尼科莱和她的团队在位于法国奥赛的CNRS、巴黎萨克雷大学和巴黎城市大学的联合研究单位——双无穷大物理实验室（IJCLab），在法国国家核与粒子物理研究所的资助下，于2011年开始建造探测器。
该团队于2015年完成了探测器。两年后，它被安装在class12。皮埃尔·查塔农（Pierre Chatagnon）当时是巴黎萨克雷大学（Paris-Saclay University）的博士生，他加入了杰斐逊实验室的IJCLab团队，安装了这个探测器。他还编写了软件来校准它。今天，他回到杰斐逊实验室，在B馆做博士后。
克服技术挑战
中央中子探测器收集了2019年至2020年之间的数据。虽然它能够覆盖检测中子所需的角度，但尼科莱和她的团队在数据分析过程中遇到了一个意想不到的问题：质子污染。
该探测器被设计用来丢弃带电的非中子信号。然而，他们发现探测器中负责否决质子的部分存在死区，这使得质子能够潜入并污染中子测量结果。
幸运的是，亚当·霍巴特（Adam Hobart）是IJCLab的一名研究员，他领导了这项实验的数据分析，他能够清理数据。
尼科莱说：“多亏了Adam使用机器学习技术的经验，这个问题才得以解决。他开发了一种基于ml的工具来区分假信号和真实中子，这对实现我们的最终结果至关重要。”
将这些ML技术与中央中子探测器结合使用，可以对直接检测参与反应的中子进行DVCS的首次测量。在电子束和核子目标之间可以发生许多过程；直接探测到中子使研究人员确信他们确实探测到了DVCS。
霍巴特说：“如果你没有探测到中子，你对正在发生的过程有一定的可能性，然后你在可观察到的结果中就不那么精确了。”
推进核物理学
广义部分分布（GPDs）的理论框架将散射实验的测量结果转化为关于部分分布的信息，部分是夸克和胶子在核子内部的统称。GPD有四种类型。这个实验的中子测量使研究人员能够接触到一种最不为人知的类型，称为GPD E。
在实验中，CEBAF的光束是极化的，这意味着其电子的自旋指向相同的方向。这使得研究人员能够提取出一种可观察到的，被称为不对称性的现象，它取决于光束的自旋。由于这种不对称性，他们能够以前所未有的精度提取GPD E。
“GPD E非常重要，因为它可以为我们提供有关核子自旋结构的信息，”尼科莱说。
当与其他GPD相结合时，GPD E可以用来量化组成夸克对核子总自旋的贡献，这是目前未知的。虽然这种计算将在未来的工作中进行，但在这项工作中，研究人员向解决所谓的“核子自旋危机”又迈出了一步。
核子包含两种类型的夸克：上夸克和下夸克。一个质子有两个上夸克和一个下夸克；中子有两个下夸克和一个上夸克。GPD可以根据夸克的味道来划分。
将中子上的DVCS测量值与之前质子上的DVCS-测量值相结合，研究人员首次通过夸克味分离了GPD E和H的虚部。分离上夸克和下夸克的分布将有助于物理学家理解不同味的夸克如何影响核子自旋。
理论家Maria Čuić和Krešimir Kumerički也为这种首次分离做出了贡献，但整个CLAS合作的工作对于实现这些开创性成果至关重要。
“我们必须感谢整个CLAS协作，”霍巴特说。“获取和处理数据是一项协作工作。”
未来发展方向与成就
有了原理的证明，研究人员下一步计划用CLAS12和中央中子探测器收集更多数据，以进行更精确的测量。
“但这第一个结果是重要的，”尼科莱说。“这感觉就像完成了一个周期和一生的成就，因为这是我职业生涯中第一个承担全部责任的项目。终于得出了一个有物理意义的结果，并把它发表出来，感觉就像我又生了一个孩子。”
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