ربما تمت تسوية نقاش دام 40 عامًا حول كواركات السحر في البروتونات من خلال تحليل جديد للتعلم الآلي للبيانات من مصادم الهادرونات الكبير (LHC) في CERN ومنشآت أخرى. ومع ذلك ، لا تتفق جميع فيزياء الجسيمات مع هذا التقييم.
على مدى عقود ، ناقش الفيزيائيون ما إذا كانت البروتونات تحتوي على ما يُعرف باسم كواركات السحر الجوهري. تخبرنا الديناميكا اللونية الكمومية (QCD) ، وهي نظرية القوة النووية الشديدة ، أن البروتونات تتكون من كواركين علويين وكوارك سفلي مرتبطين معًا بحاملات قوة تسمى الغلوونات. لكنها تتنبأ أيضًا بأن البروتونات ، مثل النيوترونات أو أي هادرون آخر ، تحتوي على مجموعة من أزواج الكواركات المضادة للكوارك.
من المعروف أن أعدادًا كبيرة من هذه الجسيمات الإضافية تتولد عندما تتسارع الغلوونات أثناء تصادمات عالية الطاقة بين البروتونات ، تمامًا كما تخبرنا النظرية الكهرومغناطيسية أن الفوتونات تنبعث عندما تتسارع الجسيمات المشحونة. لكن ما هو أقل وضوحًا هو المدى الذي يمكن أن يكون هناك كواركات إضافية داخل البروتونات والنيوترونات لتبدأ - ما يسمى بالكواركات الجوهرية التي تساهم في الدوال الموجية الكمومية للهادرونات.
أثقل من البروتونات
يتفق العلماء على وجود كواركات غريبة جوهرية ، بالنظر إلى أن الكواركات الغريبة لها كتلة أصغر بكثير من البروتونات. ومع ذلك ، لا يزال هناك عدم يقين بشأن وجود وإمكانية مساهمة كواركات السحر الجوهري. هذه الكواركات أثقل من البروتونات ، ولكن بكمية قليلة فقط - تاركة الباب مفتوحًا أمام احتمال أنها توفر مكونًا صغيرًا إلى حد ما ولكن مع ذلك يمكن ملاحظته لكتلة البروتون.
في حين خلص بعض الباحثين إلى أن كواركات السحر لا يمكنها توفير أكثر من 0.5٪ من زخم البروتون ، وجد آخرون بدلاً من ذلك أن مساهمة تصل إلى 2٪ ممكنة.
في أحدث عمل ، فإن تعاون NNPDF - تتكون من فيزيائيين من جامعة ميلانو وجامعة أمستردام الحرة وجامعة إدنبرة - تقول إنها وجدت "دليلًا لا لبس فيه" على أن كواركات السحر الجوهري موجودة بالفعل. لقد فعل ذلك من خلال الاعتماد على رزم بيانات التصادم من LHC وأماكن أخرى كانت تستخدمه سابقًا لتحديد ما يُعرف بوظائف التوزيع الجزئي (PDFs) ، والتي يسمونها NNPDF4.0.
جسيمات شبيهة بالنقطة
Parton هو مصطلح عام لوصف الجسيمات الشبيهة بالنقطة داخل الهادرون ، اقترحه ريتشارد فاينمان في الستينيات لتحليل تصادم الجسيمات وهو الآن مكافئ للكوارك أو الغلوون. نظرًا لأن الزخم والدوران والخصائص الأخرى للأجزاء يتم تحديدها بواسطة القوة القوية في ظل ظروف اقتران كبير جدًا ، فلا يمكن حساب قيمها باستخدام التقريبات الممكنة مع QCD المضطرب. ومع ذلك ، من خلال دراسة حركيات تصادمات الهادرون ، من الممكن بناء توزيعات احتمالية توضح احتمالات أن يكون للجزء جزء معين من زخم الهادرون على مقياس معين.
تضمن البحث الجديد حساب PDF الخاص بكوارك ساحر من خلال النظر في الزخم الذي يساهم به والكواركات الثلاثة الأخف وزناً - الأعلى والأسفل والغريب - في اصطدام البروتون في عملية التشتت. ثم استخدموا QCD المضطرب - تقريب التفاعلات القوية باستخدام إما المصطلحين الأولين أو الثلاثة في توسيع تعبير الاقتران القوي - لتحويل PDF هذا إلى واحد يتكون من مكونات إشعاعية من فقط أخف ثلاثة كواركات. كما أوضحوا ، فإن ملف PDF الجديد الذي تم تجريده من المكون الإشعاعي الخاص بكوارك السحر الخاص به ، سيشكل فقط سحرًا جوهريًا.
بالقيام بذلك باستخدام الشبكات العصبية لمطابقة البيانات التجريبية بشكل أفضل مع شكل وحجم ملفات PDF ، استنتجوا أن كواركات السحر الجوهري موجودة بالتأكيد. على الرغم من أنهم يعملون على أن السحر الجوهري يساهم بأقل من 1 ٪ من زخم البروتون ، فإن ملف PDF المرتبط به يشبه بشدة ذلك المتوقع من النظرية - ذروة عند جزء زخم يبلغ حوالي 0.4 (الاحتمالات الصغيرة المتضمنة بمعنى أن التكامل ينتج إجماليًا صغيرًا) أثناء التراجع بسرعة في الكسور الصغيرة. كما أنه يتطابق بشكل وثيق مع ملفات PDF التي تم إعدادها من بيانات الاصطدام الأخرى - على وجه التحديد ، النتائج الأخيرة التي تنطوي على إنتاج بوزونات Z في تجربة LHCb وبيانات أقدم بكثير من التعاون الأوروبي Muon (EMC) التابع لـ CERN.
يحسب NNPDF أنه مع البيانات من تحليل 4.0 وحده ، فإن الأهمية الإحصائية للسحر الجوهري الحقيقي هي حوالي 2.5 درجة مئوية ، بينما ترتفع الأهمية إلى حوالي 3 درجات إذا تم تضمين بيانات LHCb و EMC أيضًا. عادةً ما تعتبر الأهمية الإحصائية البالغة 5 درجات أو أكثر اكتشافًا في فيزياء الجسيمات.
كتب التعاون في ورقة بحثية في الطبيعة واصفا بحثها.
ملاحظات النيوترينو
يقول الباحثون إنهم يتطلعون إلى مزيد من الدراسات حول السحر الجوهري في تجارب مثل LHCb التابع لـ CERN وتلك الموجودة في مصادم Electron-Ion Collider (الذي يتم بناؤه حاليًا في مختبر Brookhaven الوطني في الولايات المتحدة). تعتبر الملاحظات على تلسكوبات النيوترينو ذات أهمية أيضًا لأن الجسيمات التي تحتوي على كواركات ساحرة يمكن أن تتحلل لتولد نيوترينوات في الغلاف الجوي للأرض. يمكن أن تساعد هذه القياسات في تحديد شكل وحجم السحر الجوهري ، وكذلك التحقق من أي اختلافات بين كواركات السحر الجوهري والكواركات المضادة ، وفقًا لأعضاء المجموعة خوان روجو من جامعة أمستردام الحرة.
بعض النيوترينوات الكونية قد لا تكون كونية بعد كل شيء
يرحب خبراء آخرون أيضًا بالمزيد من البيانات ولكنهم يختلفون حول أهمية العمل الأخير. ستانلي برودسكي في مختبر التسريع الوطني SLAC في الولايات المتحدة يقول أن النتيجة توفر دليلًا "مقنعًا" على السحر الجوهري. لكن، رامونا فوجت من مختبر لورانس ليفرمور الوطني ، أيضًا في الولايات المتحدة ، يشير إلى أن أهميته الإحصائية أقل من تلك اللازمة للاكتشاف في فيزياء الجسيمات. "هذه النتيجة هي خطوة إلى الأمام لكنها ليست الكلمة الأخيرة" ، كما تقول.
والي ملنتشوك في منشأة مسرع توماس جيفرسون الوطنية ، مرة أخرى في الولايات المتحدة ، أكثر أهمية. بعيدًا عن كونه نهائيًا ، فهو يعتبر أدلة NNPDF متوقفة على كيفية تعريفها للسحر الجوهري والخيارات التي تتخذها للحسابات المضطربة ، بحجة أن التعريفات من المجموعات الأخرى التي لم تجد دليلاً صحيحة بنفس القدر. ويؤكد أن الإشارة الأكثر إقناعًا ستكون ملاحظة الفرق بين السحر وملفات PDF المضادة للسحر في البروتون. يقول: "إن الاختلاف غير الصفري بين هذه أقل عرضة بكثير لاختيارات المخططات والتعاريف النظرية".
