Un debate de 40 años sobre los quarks encanto en los protones puede haber sido resuelto por un nuevo análisis de aprendizaje automático de los datos del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el CERN y otras instalaciones. Sin embargo, no toda la física de partículas está de acuerdo con esta evaluación.
Durante décadas, los físicos han debatido si los protones contienen lo que se conoce como quarks de encanto intrínsecos. La cromodinámica cuántica (QCD), la teoría de la fuerza nuclear fuerte, nos dice que los protones consisten en dos quarks arriba y un quark abajo unidos por portadores de fuerza llamados gluones. Pero también predice que los protones, como los neutrones o cualquier otro hadrón, contienen una gran cantidad de otros pares de quarks y antiquarks.
Se sabe que un gran número de estas partículas adicionales se generan cuando los gluones se aceleran durante colisiones de alta energía entre protones, al igual que la teoría electromagnética nos dice que los fotones se emiten cuando las partículas cargadas se aceleran. Pero lo que está menos claro es hasta qué punto podría haber quarks adicionales dentro de los protones y neutrones para empezar, los llamados quarks intrínsecos que contribuyen a las funciones de onda cuánticas de los hadrones.
Más pesado que los protones
Los científicos están de acuerdo en la existencia de quarks extraños intrínsecos, dado que los quarks extraños tienen una masa mucho más pequeña que los protones. Sin embargo, sigue existiendo incertidumbre sobre la existencia y la posible contribución de los quarks de encanto intrínsecos. Estos quarks son más pesados que los protones, pero solo en una pequeña cantidad, lo que deja abierta la posibilidad de que proporcionen un componente bastante pequeño pero observable de la masa de un protón.
Mientras que algunos investigadores han llegado a la conclusión de que los quarks encanto no pueden proporcionar más del 0.5% del impulso de un protón, otros han descubierto que es posible una contribución de hasta el 2%.
En el último trabajo, el Colaboración NNPDF – compuesto por físicos de la Universidad de Milán, la Universidad Libre de Amsterdam y la Universidad de Edimburgo – dice que ha encontrado “evidencia inequívoca” de que los quarks de encanto intrínseco sí existen. Lo ha hecho basándose en una gran cantidad de datos de colisión del LHC y de otros lugares que utilizó anteriormente para calcular lo que se conoce como funciones de distribución de partones (PDF), a las que llama NNPDF4.0.
Partículas puntuales
Parton es un término genérico para describir partículas puntuales dentro de un hadrón, propuesto por Richard Feynman en la década de 1960 para analizar las colisiones de partículas y ahora es equivalente a un quark o gluón. Debido a que el impulso, el espín y otras propiedades de los partones están determinados por la fuerza fuerte en condiciones de acoplamiento muy grande, sus valores no pueden calcularse utilizando las aproximaciones posibles con QCD perturbativa. Sin embargo, al estudiar la cinemática de las colisiones de hadrones, es posible construir distribuciones de probabilidad que muestren las probabilidades de que un partón tenga una cierta fracción del momento de un hadrón en una escala particular.
La nueva investigación involucró el cálculo de la PDF de un quark charm considerando el impulso que él y los tres quarks más ligeros (arriba, abajo y extraño) contribuyen a la colisión de un protón en el proceso de dispersión. Luego usaron QCD perturbativo, que se aproxima a las interacciones fuertes usando los primeros dos o tres términos en una expansión de la expresión de acoplamiento fuerte, para convertir este PDF en uno que consta de componentes radiativos de solo los tres quarks más ligeros. Como señalan, despojado del propio componente radiativo del quark encanto, este nuevo PDF comprendería solo encanto intrínseco.
Al hacerlo utilizando redes neuronales para hacer coincidir mejor los datos experimentales con la forma y la magnitud de los archivos PDF, concluyen que los quarks de encanto intrínsecos definitivamente existen. Aunque calculan que el encanto intrínseco contribuye con menos del 1 % del impulso del protón, su PDF asociada se parece mucho a la que se espera de la teoría: un pico en una fracción del impulso de alrededor de 0.4 (las pequeñas probabilidades involucradas significan que la integración produce un pequeño total) mientras se reduce rápidamente en pequeñas fracciones. También coincide estrechamente con los PDF elaborados a partir de otros datos de colisión, específicamente, resultados recientes relacionados con la producción de bosones Z en el experimento LHCb y datos mucho más antiguos de la Colaboración europea de muones (EMC) del CERN.
NNPDF calcula que solo con los datos de su análisis 4.0, la importancia estadística de que el encanto intrínseco sea real es de aproximadamente 2.5 σ, mientras que la importancia aumenta a alrededor de 3 σ si también se incluyen los datos de LHCb y EMC. Una significancia estadística de 5σ o mayor generalmente se considera un descubrimiento en la física de partículas.
"Nuestros hallazgos cierran una pregunta abierta fundamental en la comprensión de la estructura del nucleón que ha sido debatida acaloradamente por los físicos nucleares y de partículas durante los últimos 40 años", escribe la colaboración en un artículo en Naturaleza describiendo su investigación.
Observaciones de neutrinos
Los investigadores dicen que esperan más estudios sobre el encanto intrínseco en experimentos como el LHCb del CERN y los del Colisionador de iones de electrones (actualmente en construcción en el Laboratorio Nacional de Brookhaven en los EE. UU.). Las observaciones en los telescopios de neutrinos también son de interés porque las partículas que contienen quarks encantadores pueden decaer para generar neutrinos en la atmósfera terrestre. Estas medidas pueden ayudar a precisar la forma y la magnitud del encanto intrínseco, así como a investigar las diferencias entre los quarks y los antiquarks del encanto intrínseco”, según un miembro del grupo. juan rojo de la Universidad Libre de Amsterdam.
Algunos neutrinos cósmicos pueden no ser cósmicos después de todo
Otros expertos también dan la bienvenida a más datos, pero no están de acuerdo con la importancia del último trabajo. stanley brodsky en el SLAC National Accelerator Laboratory en los EE. UU. dice que el resultado proporciona evidencia "convincente" del encanto intrínseco. Sin embargo, ramona vogt del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, también en los EE. UU., señala que su significado estadístico es inferior al necesario para el descubrimiento en física de partículas. “Este resultado es un paso adelante, pero no es la última palabra”, dice.
Wally Melnichuk en las Instalaciones del Acelerador Nacional Thomas Jefferson, nuevamente en los EE. UU., es más crítico. Lejos de ser definitivo, considera que la evidencia de NNPDF depende de cómo define el encanto intrínseco y las elecciones que hace para el cálculo perturbativo, argumentando que las definiciones de otros grupos que no han encontrado evidencia son igualmente válidas. Sostiene que una señal mucho más convincente sería la observación de una diferencia entre las PDF encanto y anti-encanto en el protón. “Una diferencia distinta de cero entre estos es mucho menos susceptible a las elecciones de esquemas teóricos y definiciones”, dice.
