Eine 40 Jahre alte Debatte über Charm-Quarks in Protonen könnte durch eine neue maschinelle Lernanalyse von Daten des Large Hadron Collider (LHC) am CERN und anderen Einrichtungen beigelegt worden sein. Allerdings stimmt nicht die gesamte Teilchenphysik mit dieser Einschätzung überein.
Seit Jahrzehnten diskutieren Physiker darüber, ob Protonen sogenannte intrinsische Charme-Quarks enthalten. Die Quantenchromodynamik (QCD), die Theorie der starken Kernkraft, sagt uns, dass Protonen aus zwei Up-Quarks und einem Down-Quark bestehen, die durch Kraftträger, die Gluonen genannt werden, miteinander verbunden sind. Aber es sagt auch voraus, dass Protonen, wie Neutronen oder jedes andere Hadron, eine Vielzahl anderer Quark-Anti-Quark-Paare enthalten.
Es ist bekannt, dass eine große Anzahl dieser zusätzlichen Teilchen erzeugt wird, wenn Gluonen während hochenergetischer Kollisionen zwischen Protonen beschleunigt werden, so wie uns die elektromagnetische Theorie sagt, dass Photonen abgegeben werden, wenn geladene Teilchen beschleunigen. Weniger klar ist jedoch, inwieweit es in den Protonen und Neutronen überhaupt noch zusätzliche Quarks geben könnte – sogenannte intrinsische Quarks, die zu den Quantenwellenfunktionen der Hadronen beitragen.
Schwerer als Protonen
Wissenschaftler sind sich über die Existenz intrinsischer Strange-Quarks einig, da Strange-Quarks eine viel geringere Masse als Protonen haben. Es besteht jedoch weiterhin Unsicherheit über die Existenz und den möglichen Beitrag von intrinsischen Charm-Quarks. Diese Quarks sind schwerer als Protonen, aber nur geringfügig – was die Möglichkeit offen lässt, dass sie einen relativ kleinen, aber dennoch beobachtbaren Anteil an der Masse eines Protons liefern.
Während einige Forscher zu dem Schluss kamen, dass Charm-Quarks nicht mehr als 0.5 % des Impulses eines Protons liefern können, haben andere stattdessen herausgefunden, dass ein Beitrag von bis zu 2 % möglich ist.
In der neusten Arbeit, der NNPDF-Zusammenarbeit – bestehend aus Physikern der Universität Mailand, der Freien Universität Amsterdam und der Universität Edinburgh – sagt, es habe „eindeutige Beweise“ dafür gefunden, dass intrinsische Charm-Quarks tatsächlich existieren. Dazu stützte es sich auf Unmengen von Kollisionsdaten vom LHC und anderswo, die zuvor verwendet wurden, um sogenannte Parton-Verteilungsfunktionen (PDFs) zu erarbeiten, die sie NNPDF4.0 nennen.
Punktförmige Teilchen
Parton ist ein allgemeiner Begriff zur Beschreibung punktartiger Teilchen innerhalb eines Hadrons, der von Richard Feynman in den 1960er Jahren zur Analyse von Teilchenkollisionen vorgeschlagen wurde und heute einem Quark oder Gluon entspricht. Da Impuls, Spin und andere Eigenschaften von Partonen durch die starke Kraft unter Bedingungen sehr großer Kopplung bestimmt werden, können ihre Werte nicht unter Verwendung der Näherungen berechnet werden, die mit perturbativer QCD möglich sind. Durch Untersuchung der Kinematik von Hadronenkollisionen ist es jedoch möglich, Wahrscheinlichkeitsverteilungen aufzubauen, die die Wahrscheinlichkeit zeigen, dass ein Parton einen bestimmten Bruchteil des Impulses eines Hadrons in einem bestimmten Maßstab hat.
Die neue Forschung umfasste die Berechnung der PDF eines Charm-Quarks unter Berücksichtigung des Impulses, den es und die drei leichtesten Quarks – up, down und strange – zu einem kollidierenden Proton im Streuprozess beitragen. Anschließend verwendeten sie perturbative QCD – eine Annäherung an starke Wechselwirkungen, indem entweder die ersten zwei oder drei Terme in einer Erweiterung des Ausdrucks der starken Kopplung verwendet wurden –, um diese PDF in eine PDF umzuwandeln, die nur aus Strahlungskomponenten der leichtesten drei Quarks besteht. Wie sie betonen, würde dieses neue PDF ohne die eigene Strahlungskomponente des Charm-Quarks nur intrinsischen Charme enthalten.
Dabei verwenden sie neuronale Netze, um experimentelle Daten am besten mit der Form und Größe von PDFs abzugleichen, und kommen zu dem Schluss, dass intrinsische Charm-Quarks definitiv existieren. Obwohl sie herausgefunden haben, dass der intrinsische Charme weniger als 1 % zum Protonenimpuls beiträgt, ähnelt der damit verbundene PDF stark dem theoretisch erwarteten – ein Peak bei einem Impulsbruchteil von etwa 0.4 (die winzigen Wahrscheinlichkeiten bedeuten, dass die Integration eine kleine Summe ergibt), während er abklingt schnell bei kleinen Fraktionen. Es stimmt auch sehr gut mit den PDFs überein, die aus anderen Kollisionsdaten erstellt wurden – insbesondere den jüngsten Ergebnissen zur Produktion von Z-Bosonen beim LHCb-Experiment und viel früheren Daten der European Muon Collaboration (EMC) des CERN.
NNPDF berechnet, dass allein mit den Daten aus seiner 4.0-Analyse die statistische Signifikanz, dass der intrinsische Charme real ist, etwa 2.5 σ beträgt, während die Signifikanz auf etwa 3 σ steigt, wenn auch die LHCb- und EMC-Daten einbezogen werden. Eine statistische Signifikanz von 5σ oder mehr wird normalerweise als Entdeckung in der Teilchenphysik angesehen.
„Unsere Ergebnisse schließen eine grundlegende offene Frage zum Verständnis der Nukleonenstruktur, die von Teilchen- und Kernphysikern in den letzten 40 Jahren heiß diskutiert wurde“, schreibt die Kollaboration in einem Artikel in Natur beschreibt seine Forschung.
Neutrino-Beobachtungen
Die Forscher sagen, dass sie sich auf weitere Studien des intrinsischen Charmes bei Experimenten wie dem LHCb des CERN und denen am Electron-Ion Collider (der derzeit am Brookhaven National Laboratory in den USA gebaut wird) freuen. Interessant sind auch Beobachtungen an Neutrino-Teleskopen, weil Teilchen, die Charm-Quarks enthalten, in der Erdatmosphäre zerfallen und Neutrinos erzeugen können. Diese Messungen können helfen, die Form und Größe des intrinsischen Charmes zu bestimmen und Unterschiede zwischen Quarks und Antiquarks mit intrinsischem Charme zu untersuchen“, so das Gruppenmitglied Juan Rojo der Freien Universität Amsterdam.
Einige kosmische Neutrinos sind möglicherweise gar nicht kosmisch
Auch andere Experten begrüßen weitere Daten, sind sich jedoch nicht einig über die Bedeutung der jüngsten Arbeiten. Stanley Brodsky am SLAC National Accelerator Laboratory in den USA sagt, das Ergebnis liefere „überzeugende“ Beweise für den intrinsischen Charme. Jedoch, Ramona Vogt vom Lawrence Livermore National Laboratory, ebenfalls in den USA, weist darauf hin, dass seine statistische Aussagekraft hinter der für Entdeckungen in der Teilchenphysik erforderlichen zurückbleibt. „Dieses Ergebnis ist ein Fortschritt, aber es ist noch nicht das letzte Wort“, sagt sie.
Wally Melnitschuk an der Thomas Jefferson National Accelerator Facility, ebenfalls in den USA, ist kritischer. Weit davon entfernt, endgültig zu sein, betrachtet er die Beweise von NNPDF als abhängig davon, wie es den intrinsischen Charme und die Entscheidungen, die es für die störende Berechnung trifft, definiert, und argumentiert, dass Definitionen anderer Gruppen, die keine Beweise gefunden haben, gleichermaßen gültig sind. Er behauptet, dass ein viel zwingenderes Signal die Beobachtung eines Unterschieds zwischen den Charm- und Anti-Charm-PDFs im Proton wäre. „Ein Unterschied ungleich Null zwischen diesen ist viel weniger anfällig für die Auswahl theoretischer Schemata und Definitionen“, sagt er.
