中央中子探测器安装在实验大厅 B 内。西尔维娅·尼科莱和她的团队在伊蕾娜·约里奥-居里两无限物理实验室 (IJCLab) 开始建造该探测器，该实验室是法国奥赛国家科学研究院、巴黎萨克雷大学和巴黎城市大学的联合研究单位，由法国国家核物理和粒子物理研究所提供资金。图片来源：西尔维娅·尼科莱

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。

研究人员利用一种新型探测器，对夸克和胶子如何影响核子整体自旋有了更深入的了解，在核物理学方面取得了重大进展。

质子和中子统称为核子，是物质的基本组成部分。然而，在核物理实验中，质子历来受到更多关注——直到现在。

科学家们首次对中子的内部结构有了初步了解。这一突破性成果发表在《物理评论快报》上，得益于十年来开发专用探测器的努力，该探测器目前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)研究主任西尔维娅·尼科拉说：“我们首次在这种反应中探测到中子，这对核子研究来说是一个非常重要的成果。”

提出这项实验的尼科莱解释说，这一里程碑将为中子和质子的结构和自旋提供宝贵的见解，增进我们对核子行为的理解。

洞察核子结构

核子由更小的粒子组成，称为夸克和胶子。物理学家尚未完全了解这些组成粒子在核子内部的分布情况，或它们对整个核子自旋的影响。实验人员使用美国能源部科学办公室用户设施连续电子束加速器设施 (CEBAF) 探测这些粒子，将电子从核子目标上散射，并检测这些反应的最终产物。

其中一种反应称为深度虚拟康普顿散射 (DVCS)。在 DVCS 中，电子与核子目标相互作用。核子吸收电子的部分能量并发射光子，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。

研究人员已经利用 CLAS12 探测器(代表 12 GeV 束流能量的 CEBAF 大型接受谱仪)及其前身 CLAS 对 DVCS 进行了广泛研究。然而，B 厅的 CLAS 和 CLAS12 探测器主要用于探索质子的 DVCS，这比中子的 DVCS 更容易测量。

DVCS 中涉及的中子更难探测，因为它们往往会从光束线向上 40 度散射，而这是 CLAS12 无法进入的区域。

中央中子探测器的开发

“在标准配置下，这些角度不可能探测到中子，”Niccolai 说道。2007 年，她开始思考 CLAS 核物理学家合作如何测量这些中子。她的解决方案是什么?中央中子探测器。

尼科莱和她在伊蕾娜·约里奥-居里两无限物理实验室 (IJCLab) 的团队在法国奥赛国家科学研究院、巴黎萨克雷大学和巴黎城市大学的联合研究单位下于 2011 年开始建造该探测器，资金来自法国国家核物理研究所和粒子物理研究所。

该团队于 2015 年完成了该探测器的安装。两年后，它被安装在 CLAS12 中。当时在巴黎萨克雷大学攻读博士学位的 Pierre Chatagnon 加入了杰斐逊实验室的 IJCLab 团队，负责安装该探测器。他还编写了校准该探测器的软件。如今，他已回到杰斐逊实验室，在 B 厅担任博士后。

克服技术挑战

中央中子探测器在2019年至2020年期间收集了数据。虽然它能够覆盖探测中子所需的角度，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。

该探测器的设计初衷是丢弃带电的非中子信号。然而，他们发现，探测器负责否决质子的部分存在死区，导致质子潜入并污染中子测量结果。

幸运的是，领导本次实验数据分析的 IJCLab 研究员 Adam Hobart 能够清理数据。

“这个问题的解决得益于 Adam 使用机器学习技术的经验，”Niccolai 说道。“他开发了一种基于 ML 的工具来区分假信号和真实中子，这对于我们实现最终结果至关重要。”

将这些 ML 技术与中央中子探测器结合使用，首次实现了中子 DVCS 测量，可直接检测参与反应的中子。束流电子和核子靶之间可以发生许多过程;直接检测中子让研究人员确信他们确实检测到了 DVCS。

霍巴特说：“如果你没有探测到中子，那么对正在发生的过程的可能性就会有一定范围，然后你以后测量的可观测量的精度就会降低。”