Avbildningar av den romerska visdomsgudinnan Minerva visar henne i flödande dräkter, bär en ädel krigshjälm och med en uggla. Däremot har MINERvA-experimentet en enorm partikeldetektor med namnen på samarbetande forskare nedklottrade på framsidan av den.

Även om det är ganska annorlunda i utseende, ger detta neutrinoexperiment djup visdom till forskare precis som dess namne representerade. Bland dess många insikter har forskare använt MINERvA för att bättre förstå storleken och strukturen hos protoner, en av atomernas byggstenar.

MINERvA är ett neutrinospridningsexperiment vid Energidepartementets Fermilab. Neutrinos är små, elektriskt neutrala partiklar som är otroligt rikliga. Solen, andra stjärnor och många olika föremål producerar dem som ett resultat av atomreaktioner. Faktum är att det finns fler neutriner i universum än någon annan partikel som har massa.

Trots att vi är allestädes närvarande märker vi aldrig neutriner eftersom de nästan aldrig reagerar med någonting. Att studera neutriner är viktigt för att förstå hur vårt universum bildades förr och fungerar nu.

För att bättre förstå denna grundläggande partikel studerar forskare hur neutriner interagerar med material vid de sällsynta tillfällen som de faktiskt gör. MINERvA:s uppdrag är att fånga dessa interaktioner.

Den använder en högintensiv neutrinostråle för att studera hur de interagerar med kärnorna i fem olika element. Genom att låta neutrinerna träffa mål gjorda av olika material - vatten, helium, kol, järn, bly och plast - kan forskare jämföra reaktionerna. Att kartlägga de olika interaktionerna kommer att hjälpa forskare att analysera resultaten av andra experiment som det kommande Deep Underground Neutrino Experimentet.

Utöver detta mål hittade forskare från MINERvA-samarbetet ut en annan smart användning av sina data – att undersöka protonens storlek och struktur.

Tillsammans med neutroner utgör protoner kärnorna i de atomer som utgör oss och allt omkring oss. De är en av byggstenarna i materia vi interagerar med varje dag.

Men att studera subatomära partiklar är mycket knepigare än att studera större föremål. Subatomära partiklar är alldeles för små för att studera med vanliga verktyg som mikroskop. Dessutom har "storleken" på en subatomär partikel inte riktigt samma betydelse som storleken på ett föremål du kan mäta med en linjal. Istället studerar forskare krafterna som håller ihop protonen.

Tidigare har forskare studerat protonens storlek med hjälp av den elektromagnetiska kraften. Elektromagnetism är en av universums fyra grundläggande krafter. Magnetiska fält, elektriska fält och till och med ljus faller under den elektromagnetiska kraften. Det binder elektroner till kärnan (gjord av protoner och neutroner) i atomen. Det är också delvis ansvarigt för kärnans struktur.

För att representera protonens storlek har forskare vanligtvis använt den elektriska laddningsradien. Det är medelradien för den elektriska laddningen fördelad i protonen. För att mäta denna egenskap riktar forskare en elektronstråle mot en enda energi mot ett mål. Elektronerna flyger bort från protonerna i många olika riktningar och energier, vilket ger forskarna information om protonernas inre struktur.

Med den här tekniken har forskare kunnat göra en mycket exakt mätning av storleken på den genomsnittliga elektriska laddningsradien för protonen, och därmed kvarkarna som ger den elektriska laddningen.

Under ledning av Tejin Cai (då doktorand vid University of Rochester) hade MINERvA-samarbetet ett annat tillvägagångssätt. Tanken var att använda antineutrinos – neutrinos antimateria-tvilling – för att studera protoner.

Eftersom neutriner (och antineutriner) inte har en laddning, skulle de inte interagera via den elektromagnetiska kraften. Istället skulle neutrinerna interagera via den svaga kraften i protonerna. Den svaga kraften och gravitationen är de enda två sätten som neutriner interagerar med någonting.

Trots sitt namn är den svaga kraften kraftfull. En annan av dessa fyra grundläggande krafter, den möjliggör processen genom vilken protoner förvandlas till neutroner eller vice versa. Det är dessa processer som driver solen och andra stjärnors kärnreaktioner. Neutrinos erbjuder ett unikt verktyg för att studera den svaga kraften.

Men den svaga kraften spelar bara in när partiklar är väldigt, väldigt nära varandra. När neutriner svävar genom rymden, rör de sig vanligtvis genom de (jämförelsevis) stora utrymmena mellan en atoms elektroner och kärna.

För det mesta är neutriner helt enkelt inte tillräckligt nära protoner för att de ska kunna interagera via den svaga kraften. För att möjligen få tillräckligt med mätningar måste forskare skjuta ett svindlande antal neutrinos eller antineutrinos mot ett mål.

MINERvAs kraftfulla neutrinostråle och olika mål gjorde det målet möjligt. I en idealisk värld skulle forskare rikta neutriner mot ett mål gjord av rena neutroner, eller antineutriner mot ett mål gjord av rena protoner. På så sätt kunde forskarna få de mest specifika mätningarna. Tyvärr är det inte en särskilt realistisk experimentuppställning.

Men MINERvA hade redan det näst bästa – många antineutrinos och ett mål gjord av polystyren. Materialet som utgör frigolit, polystyren, är tillverkat av väte bundet till kol. Med detta mål skulle forskare få mätningar av hur antineutriner interagerar med både väte och kol.

För att separera väte från kol använde forskarna ett tillvägagångssätt som liknar att ta ett foto och sedan ta bort bakgrunden så att du kan fokusera på bara några få föremål. För att bestämma dessa "bakgrunds" neutrino-kol-interaktioner tittade forskarna på neutroner.

När antineutriner interagerar med protoner i kol eller protoner själva i väte, producerar de neutroner. Genom att spåra neutronerna kunde forskare arbeta baklänges för att identifiera och ta bort kol-antineutrino-interaktionerna från väte-antineutrino-interaktionerna.

Att få det nödvändiga antalet interaktioner testade verkligen MINERvA:s möjligheter. Under loppet av tre år registrerade forskare mer än en miljon interaktioner av antineutrinos med andra partiklar. Bara 5 000 av dem var med väte.

Dessa data gjorde det slutligen möjligt för forskarna att beräkna protonens storlek med hjälp av neutriner. Istället för den elektriska laddningsradien beräknade de protonens svaga laddningsradie. Det var första gången som forskare har använt neutriner för att göra en statistiskt signifikant mätning av denna egenskap.

Med tanke på osäkerheter var resultatet mycket nära de tidigare mätningarna av protonens elektriska laddningsradie. Eftersom det i grunden är att mäta den rumsliga fördelningen av kvarkar och gluoner som utgör protonen, förväntades värdet vara liknande.

Denna nya teknik ger forskare ytterligare ett verktyg i deras verktygslåda för att studera protonens struktur. Det är ett bevis på den visdom vi kan få när forskare tänker kreativt på att använda befintliga experiment för att utforska nya forskningsområden.

Tillhandahålls av US Department of Energy