En 40 år gammel debat om charmekvarker i protoner kan være blevet afgjort af en ny maskinlæringsanalyse af data fra Large Hadron Collider (LHC) på CERN og andre faciliteter. Imidlertid er ikke al partikelfysik enig i denne vurdering.
I årtier har fysikere diskuteret, om protoner indeholder det, der er kendt som indre charme-kvarker. Kvantekromodynamik (QCD), teorien om den stærke kernekraft, fortæller os, at protoner består af to op-kvarker og en ned-kvark bundet sammen af kraftbærere kaldet gluoner. Men den forudsiger også, at protoner, ligesom neutroner eller enhver anden hadron, indeholder et væld af andre kvark-anti-kvark-par.
Et stort antal af disse yderligere partikler er kendt for at blive genereret, når gluoner accelereres under højenergikollisioner mellem protoner, ligesom elektromagnetisk teori fortæller os, at fotoner afgives, når ladede partikler accelererer. Men hvad der er mindre klart, er i hvilket omfang der kunne være yderligere kvarker i protonerne og neutronerne til at begynde med – såkaldte indre kvarker, der bidrager til hadronernes kvantebølgefunktioner.
Tyngere end protoner
Forskere er enige om eksistensen af iboende mærkelige kvarker, i betragtning af at mærkelige kvarker har en langt mindre masse end protoner. Der er dog fortsat usikkerhed om eksistensen og det mulige bidrag af iboende charme kvarker. Disse kvarker er tungere end protoner, men kun i en lille mængde – hvilket giver mulighed for, at de giver en ret lille, men ikke desto mindre observerbar komponent til en protons masse.
Mens nogle forskere har konkluderet, at charmekvarker ikke kan give mere end 0.5 % af en protons momentum, har andre i stedet fundet ud af, at et bidrag på op til 2 % er muligt.
I det seneste værk, den NNPDF Samarbejde - bestående af fysikere fra University of Milano, Free University of Amsterdam og University of Edinburgh - siger, at det har fundet "utvetydige beviser" for, at der faktisk eksisterer iboende charmekvarker. Det har den gjort ved at trække på mængder af kollisionsdata fra LHC og andre steder, som den tidligere brugte til at finde frem til, hvad der er kendt som parton distributionsfunktioner (PDF'er), som de kalder NNPDF4.0.
Punktlignende partikler
Parton er et generisk udtryk til at beskrive punktlignende partikler i en hadron, foreslået af Richard Feynman i 1960'erne for at analysere partikelkollisioner og svarer nu til en kvark eller gluon. Fordi momentum, spin og andre egenskaber af partoner bestemmes af den stærke kraft under forhold med meget stor kobling, kan deres værdier ikke beregnes ved hjælp af de tilnærmelser, der er mulige med perturbativ QCD. Men ved at studere kinematik af hadron-kollisioner er det muligt at opbygge sandsynlighedsfordelinger, der viser oddsene for, at en parton vil have en vis brøkdel af en hadrons momentum på en bestemt skala.
Den nye forskning involverede beregning af en charmekvarks PDF ved at overveje det momentum, som den og de tre letteste kvarker – op, ned og mærkelige – bidrager til en kolliderende proton i spredningsprocessen. De brugte derefter forstyrrende QCD - tilnærmelsesvis stærke interaktioner ved at bruge enten de første to eller tre udtryk i en udvidelse af det stærke koblingsudtryk - til at konvertere denne PDF til en bestående af strålingskomponenter fra kun de letteste tre kvarker. Som de påpeger, frataget charmekvarkens egen strålingskomponent, ville denne nye PDF kun omfatte iboende charme.
Ved at gøre det ved at bruge neurale netværk til bedst muligt at matche eksperimentelle data med formen og størrelsen af PDF'er, konkluderer de, at iboende charme-kvarker absolut eksisterer. Selvom de regner ud, at den iboende charme bidrager med mindre end 1 % af protonmomentum, ligner dens tilknyttede PDF stærkt det, der forventes ud fra teorien – et toppunkt ved en momentumbrøkdel på omkring 0.4 (de involverede bittesmå sandsynligheder betyder, at integration giver en lille total), mens den aftager hurtigt i små fraktioner. Det matcher også nøje de PDF'er, der er udarbejdet ud fra andre kollisionsdata – specifikt de seneste resultater, der involverer produktionen af Z-bosoner ved LHCb-eksperimentet og meget tidligere data fra CERN's European Muon Collaboration (EMC).
NNPDF beregner, at alene med data fra dens 4.0-analyse er den statistiske signifikans af, at den indre charme er reel, omkring 2.5σ, mens signifikansen stiger til omkring 3σ, hvis LHCb- og EMC-dataene også inkluderes. En statistisk signifikans på 5σ eller større anses normalt for at være en opdagelse i partikelfysik.
"Vores resultater lukker et grundlæggende åbent spørgsmål i forståelsen af nukleonstruktur, som er blevet heftigt diskuteret af partikel- og kernefysikere i de sidste 40 år," skriver samarbejdet i et papir i Natur beskriver sin forskning.
Neutrino observationer
Forskerne siger, at de ser frem til yderligere undersøgelser af iboende charme ved eksperimenter som CERN's LHCb og dem ved Electron-Ion Collider (i øjeblikket bygget ved Brookhaven National Laboratory i USA). Observationer ved neutrinoteleskoper er også af interesse, fordi partikler, der indeholder charme-kvarker, kan henfalde og generere neutrinoer i Jordens atmosfære. Disse målinger kan hjælpe med at fastlægge formen og størrelsen af iboende charme, samt undersøge eventuelle forskelle mellem iboende charme kvarker og antikvarker," ifølge gruppemedlem. Juan Rojo fra Det Frie Universitet i Amsterdam.
Nogle kosmiske neutrinoer er måske alligevel ikke kosmiske
Også andre eksperter hilser yderligere data velkommen, men er uenige om vigtigheden af det seneste arbejde. Stanley Brodsky på SLAC National Accelerator Laboratory i USA siger, at resultatet giver "overbevisende" beviser for iboende charme. Imidlertid, Ramona Vogt fra Lawrence Livermore National Laboratory, også i USA, påpeger, at dets statistiske signifikans er mindre end det, der er nødvendigt for opdagelse i partikelfysik. "Dette resultat er et skridt fremad, men det er ikke det sidste ord," siger hun.
Wally Melnitchouk på Thomas Jefferson National Accelerator Facility, igen i USA, er mere kritisk. Langt fra at være endegyldig betragter han NNPDF's beviser som afhængige af, hvordan de definerer iboende charme og de valg, den træffer for den forstyrrende beregning, idet han hævder, at definitioner fra andre grupper, der ikke har fundet beviser, er lige gyldige. Han fastholder, at et meget mere overbevisende signal ville være observationen af en forskel mellem charmen og anti-charme PDF'erne i protonen. "En ikke-nul forskel mellem disse er meget mindre modtagelig for valg af teoretiske skemaer og definitioner," siger han.
