Neuer Detektor ermöglicht erstmals Einblicke ins Innere von Neutronen

Neutronen sind aufgrund ihrer Neutralität schwer im Detail zu untersuchen. Trotzdem ist es Forschern jetzt aber gelungen, tiefe Einblicke ins Innere dieser Elementarteilchen zu bekommen - und dabei ein viel besseres Verständnis über die Materie zu erlangen.

Nukleonen im Visier

Mithilfe eines neuen Detektors gelang dieses Vorhaben am Thomas Jefferson National Accelerator Facility in den USA. Dort konnte die Rolle von Quarks und Gluonen für den Spin von Nukleonen - den Bausteinen der Materie - besser als je zuvor aufgeschlüsselt werden. Diese Errungenschaft markiert einen bedeutenden Fortschritt in der Kernphysik und wurde kürzlich in Physical Review Letters veröffentlicht.

Während Protonen aufgrund ihrer leichteren Detektierbarkeit in Experimenten historisch im Mittelpunkt standen, galt das Neutron lange als schwer zugängliches Studienobjekt. Eine neue Technik, die als "Deeply Virtual Compton Scattering" (DVCS) bezeichnet wird, erlaubt es Forschern nun aber, Elektronen mit Nukleonen kollidieren zu lassen und die dabei entstehenden Teilchen zu analysieren. Der Durchbruch gelang durch die Entwicklung des sogenannten Central Neutron Detector, der seit 2019 in Betrieb ist.


"Es ist das erste Mal, dass Neutronen in dieser Art von Reaktion nachgewiesen wurden", erklärt Silvia Niccolai, Forschungsdirektorin am französischen CNRS und Leiterin des Projekts. Der Detektor, der zwischen 2011 und 2015 entwickelt wurde, ermöglicht die Messung von Neutronen, die in einem Winkel von etwa 40 Grad vom Strahl abgelenkt werden - ein Bereich, der bisher von anderen Detektoren nicht abgedeckt wurde.

KI hilft auch hier

Während der Datenauswertung stießen die Forscher auf ein Problem: Protonen, die fälschlicherweise als Neutronen erkannt wurden. Dies konnte durch den Einsatz von maschinellem Lernen gelöst werden, das die Signale besser filterte und die Ergebnisse deutlich verbesserte. "Dieser Schritt war entscheidend, um präzise Messungen durchzuführen", so Adam Hobart, ein führender Wissenschaftler des Projekts. Die Daten ermöglichten erstmals eine direkte Beobachtung von DVCS auf Neutronen und verbesserten damit die Genauigkeit erheblich.

Die Ergebnisse liefern wichtige Informationen über die Verteilung von Quarks und Gluonen im Inneren von Nukleonen. Ein besonderer Fokus lag dabei auf der sogenannten GPD E - einer Verteilung, die Auskunft über den Spin von Nukleonen gibt. Durch die Kombination der neuen Neutronendaten mit früheren Protonenmessungen konnten die Forscher erstmals die Beiträge von Up- und Down-Quarks zum Gesamtspin von Nukleonen trennen. "Das ist ein bedeutender Schritt zur Lösung der Spin-Krise der Nukleonen", erklärt Niccolai. Zukünftige Experimente sollen die Ergebnisse weiter präzisieren und das Verständnis der fundamentalen Bausteine des Universums vertiefen.


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