Μια 40χρονη συζήτηση σχετικά με τα κουάρκ γοητείας σε πρωτόνια μπορεί να έχει διευθετηθεί από μια νέα ανάλυση μηχανικής μάθησης δεδομένων από τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) στο CERN και σε άλλες εγκαταστάσεις. Ωστόσο, δεν συμφωνούν όλες οι σωματιδιακές φυσικές με αυτήν την εκτίμηση.
Για δεκαετίες, οι φυσικοί έχουν συζητήσει εάν τα πρωτόνια περιέχουν αυτά που είναι γνωστά ως κουάρκ εγγενούς γοητείας. Η κβαντική χρωμοδυναμική (QCD), η θεωρία της ισχυρής πυρηνικής δύναμης, μας λέει ότι τα πρωτόνια αποτελούνται από δύο up quarks και ένα down quark που συνδέονται μεταξύ τους με φορείς δύναμης που ονομάζονται γκλουόνια. Αλλά προβλέπει επίσης ότι τα πρωτόνια, όπως τα νετρόνια ή οποιοδήποτε άλλο αδρόνιο, περιέχουν μια σειρά από άλλα ζεύγη κουάρκ-αντι κουάρκ.
Μεγάλος αριθμός αυτών των πρόσθετων σωματιδίων είναι γνωστό ότι παράγονται όταν τα γκλουόνια επιταχύνονται κατά τη διάρκεια συγκρούσεων υψηλής ενέργειας μεταξύ πρωτονίων, όπως η ηλεκτρομαγνητική θεωρία μας λέει ότι τα φωτόνια εκπέμπονται όταν τα φορτισμένα σωματίδια επιταχύνονται. Αλλά αυτό που είναι λιγότερο σαφές είναι ο βαθμός στον οποίο θα μπορούσαν να υπάρχουν πρόσθετα κουάρκ μέσα στα πρωτόνια και τα νετρόνια αρχικά – τα λεγόμενα εγγενή κουάρκ που συμβάλλουν στις κβαντικές κυματοσυναρτήσεις των αδρονίων.
Βαρύτερο από τα πρωτόνια
Οι επιστήμονες συμφωνούν στην ύπαρξη εγγενών παράξενων κουάρκ, δεδομένου ότι τα περίεργα κουάρκ έχουν πολύ μικρότερη μάζα από τα πρωτόνια. Ωστόσο, εξακολουθεί να υπάρχει αβεβαιότητα σχετικά με την ύπαρξη και την πιθανή συμβολή των εγγενών κουάρκ γοητείας. Αυτά τα κουάρκ είναι βαρύτερα από τα πρωτόνια, αλλά μόνο σε μικρή ποσότητα – αφήνοντας ανοιχτή την πιθανότητα να παρέχουν ένα αρκετά μικρό αλλά ωστόσο παρατηρήσιμο συστατικό στη μάζα ενός πρωτονίου.
Ενώ ορισμένοι ερευνητές έχουν καταλήξει στο συμπέρασμα ότι τα κουάρκ γοητείας δεν μπορούν να παρέχουν περισσότερο από το 0.5% της ορμής ενός πρωτονίου, άλλοι έχουν διαπιστώσει ότι μια συνεισφορά έως και 2% είναι δυνατή.
Στην τελευταία δουλειά, το Συνεργασία NNPDF – που αποτελείται από φυσικούς από το Πανεπιστήμιο του Μιλάνου, το Ελεύθερο Πανεπιστήμιο του Άμστερνταμ και το Πανεπιστήμιο του Εδιμβούργου – λέει ότι έχει βρει «αδιαμφισβήτητα στοιχεία» ότι τα κουάρκ εγγενούς γοητείας υπάρχουν πράγματι. Το έχει κάνει αντλώντας από δέσμες δεδομένων σύγκρουσης από τον LHC και αλλού που χρησιμοποιούσε προηγουμένως για να επεξεργαστεί τις γνωστές ως συναρτήσεις διανομής parton (PDF), τις οποίες ονομάζουν NNPDF4.0.
Σωματίδια που μοιάζουν με σημείο
Το Parton είναι ένας γενικός όρος για την περιγραφή σημειακών σωματιδίων μέσα σε ένα αδρόνιο, που προτάθηκε από τον Richard Feynman τη δεκαετία του 1960 για να αναλύσει τις συγκρούσεις σωματιδίων και τώρα είναι ισοδύναμος με ένα κουάρκ ή ένα γκλουόνιο. Επειδή η ορμή, το σπιν και άλλες ιδιότητες των παρτονίων καθορίζονται από την ισχυρή δύναμη υπό συνθήκες πολύ μεγάλης σύζευξης, οι τιμές τους δεν μπορούν να υπολογιστούν χρησιμοποιώντας τις προσεγγίσεις που είναι δυνατές με το διαταραγμένο QCD. Ωστόσο, με τη μελέτη της κινηματικής των συγκρούσεων αδρονίου είναι δυνατό να δημιουργηθούν κατανομές πιθανοτήτων που δείχνουν τις πιθανότητες ότι ένα παρτόν θα έχει ένα ορισμένο κλάσμα της ορμής ενός αδρονίου σε μια συγκεκριμένη κλίμακα.
Η νέα έρευνα περιελάμβανε τον υπολογισμό του PDF ενός κουάρκ γοητείας λαμβάνοντας υπόψη την ορμή που αυτό και τα τρία ελαφρύτερα κουάρκ –πάνω, κάτω και παράξενα– συμβάλλουν στη σύγκρουση ενός πρωτονίου στη διαδικασία σκέδασης. Στη συνέχεια χρησιμοποίησαν διαταρακτική QCD - προσεγγίζοντας ισχυρές αλληλεπιδράσεις χρησιμοποιώντας είτε τους δύο πρώτους ή τρεις όρους σε μια επέκταση της έκφρασης ισχυρής σύζευξης - για να μετατρέψουν αυτό το PDF σε ένα που αποτελείται από ακτινοβολούμενα συστατικά μόνο από τα ελαφρύτερα κουάρκ. Όπως επισημαίνουν, απογυμνωμένο από την ακτινοβολία του ίδιου του κουάρκ γοητείας, αυτό το νέο PDF θα περιλαμβάνει μόνο εγγενή γοητεία.
Κάνοντας αυτό χρησιμοποιώντας νευρωνικά δίκτυα για να ταιριάξουν καλύτερα τα πειραματικά δεδομένα με το σχήμα και το μέγεθος των PDF, καταλήγουν στο συμπέρασμα ότι τα εγγενή κουάρκ γοητείας σίγουρα υπάρχουν. Αν και καταλαβαίνουν ότι η εγγενής γοητεία συνεισφέρει λιγότερο από το 1% της ορμής πρωτονίων, το συσχετισμένο PDF μοιάζει πολύ με αυτό που αναμενόταν από τη θεωρία - μια κορυφή σε κλάσμα ορμής περίπου 0.4 (οι μικροσκοπικές πιθανότητες που εμπλέκονται σημαίνει ότι η ολοκλήρωση αποδίδει ένα μικρό σύνολο) ενώ αποχωρεί γρήγορα σε μικρά κλάσματα. Ταιριάζει επίσης στενά με τα PDF που έχουν δημιουργηθεί από άλλα δεδομένα σύγκρουσης – συγκεκριμένα, πρόσφατα αποτελέσματα που αφορούν την παραγωγή μποζονίων Ζ στο πείραμα LHCb και πολύ παλαιότερα δεδομένα από την Ευρωπαϊκή Συνεργασία Μυονίων (EMC) του CERN.
Το NNPDF υπολογίζει ότι μόνο με τα δεδομένα από την ανάλυσή του 4.0, η στατιστική σημασία της πραγματικής εγγενούς γοητείας είναι περίπου 2.5σ, ενώ η σημασία αυξάνεται περίπου στο 3σ εάν περιλαμβάνονται επίσης τα δεδομένα LHCb και EMC. Μια στατιστική σημασία 5σ ή μεγαλύτερη θεωρείται συνήθως ανακάλυψη στη σωματιδιακή φυσική.
«Τα ευρήματά μας κλείνουν ένα θεμελιώδες ανοιχτό ερώτημα για την κατανόηση της δομής των νουκλεονίων που έχει συζητηθεί έντονα από τους σωματιδιακούς και πυρηνικούς φυσικούς τα τελευταία 40 χρόνια», γράφει η συνεργασία σε ένα άρθρο στο Φύση περιγράφοντας την έρευνά του.
Παρατηρήσεις νετρίνων
Οι ερευνητές λένε ότι ανυπομονούν για περαιτέρω μελέτες της εγγενούς γοητείας σε πειράματα όπως το LHCb του CERN και αυτά στον Επιταχυντή Ηλεκτρονίων-Ιόντων (που κατασκευάζεται επί του παρόντος στο Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven στις ΗΠΑ). Οι παρατηρήσεις σε τηλεσκόπια νετρίνων παρουσιάζουν επίσης ενδιαφέρον επειδή τα σωματίδια που περιέχουν κουάρκ γοητείας μπορούν να διασπαστούν για να δημιουργήσουν νετρίνα στην ατμόσφαιρα της Γης. Αυτές οι μετρήσεις μπορούν να βοηθήσουν στον προσδιορισμό του σχήματος και του μεγέθους της εγγενούς γοητείας, καθώς και στην ανίχνευση τυχόν διαφορών μεταξύ των κουάρκ εγγενούς γοητείας και των αντικουάρκ», σύμφωνα με μέλος της ομάδας. Χουάν Ρόχο του Ελεύθερου Πανεπιστημίου του Άμστερνταμ.
Μερικά κοσμικά νετρίνα μπορεί τελικά να μην είναι κοσμικά
Και άλλοι ειδικοί χαιρετίζουν περαιτέρω στοιχεία, αλλά διαφωνούν σχετικά με τη σημασία της τελευταίας εργασίας. Στάνλεϊ Μπρόντσκι στο SLAC National Accelerator Laboratory στις ΗΠΑ λέει ότι το αποτέλεσμα παρέχει «πειστικές» αποδείξεις για την εγγενή γοητεία. Ωστόσο, Ραμόνα Φογκτ του Εθνικού Εργαστηρίου Lawrence Livermore, επίσης στις ΗΠΑ, επισημαίνει ότι η στατιστική του σημασία υπολείπεται αυτής που απαιτείται για την ανακάλυψη στη σωματιδιακή φυσική. «Αυτό το αποτέλεσμα είναι ένα βήμα μπροστά, αλλά δεν είναι η τελευταία λέξη», λέει.
Wally Melnitchouk στο Thomas Jefferson National Accelerator Facility, πάλι στις ΗΠΑ, είναι πιο κρίσιμο. Μακριά από το να είναι οριστικά, θεωρεί ότι τα στοιχεία του NNPDF εξαρτώνται από τον τρόπο με τον οποίο ορίζει την εγγενή γοητεία και τις επιλογές που κάνει για τον διαταραγμένο υπολογισμό, υποστηρίζοντας ότι οι ορισμοί από άλλες ομάδες που δεν έχουν βρει στοιχεία είναι εξίσου έγκυροι. Υποστηρίζει ότι ένα πολύ πιο συναρπαστικό σήμα θα ήταν η παρατήρηση μιας διαφοράς μεταξύ των αρχείων PDF γοητείας και αντι-γοητείας στο πρωτόνιο. «Μια μη μηδενική διαφορά μεταξύ αυτών είναι πολύ λιγότερο επιρρεπής σε επιλογές θεωρητικών σχημάτων και ορισμών», λέει.
