40 aastat kestnud arutelu prootonites leiduvate võlukvarkide üle võis lahendada CERNi ja muude rajatiste suure hadronipõrgeti (LHC) andmete uue masinõppe analüüsiga. Kuid mitte kõik osakeste füüsikad ei nõustu selle hinnanguga.
Füüsikud on aastakümneid vaielnud, kas prootonid sisaldavad nn sisemisi võlukvarke. Kvantkromodünaamika (QCD), tugeva tuumajõu teooria, ütleb meile, et prootonid koosnevad kahest üles- ja allapoole kvargist, mis on omavahel seotud jõukandjatega, mida nimetatakse gluoonideks. Kuid see ennustab ka seda, et prootonid, nagu neutronid või mis tahes muu hadron, sisaldavad hulgaliselt muid kvark-anti-kvargipaare.
Teadaolevalt tekib suur hulk neid täiendavaid osakesi, kui gluoone kiirendatakse prootonite vaheliste suure energiaga kokkupõrgete ajal, täpselt nagu elektromagnetiteooria ütleb meile, et laetud osakeste kiirendamisel eralduvad footonid. Kuid vähem selge on see, mil määral võivad prootonites ja neutronites alguses olla täiendavaid kvarke – nn sisemisi kvarke, mis aitavad kaasa hadronite kvantlainefunktsioonidele.
Raskemad kui prootonid
Teadlased nõustuvad sisemiste kummaliste kvarkide olemasoluga, kuna kummaliste kvarkide mass on prootonitest palju väiksem. Siiski valitseb jätkuvalt ebakindlus olemuslike võlukvarkide olemasolu ja võimaliku panuse osas. Need kvargid on prootonitest raskemad, kuid vaid vähesel määral – jättes avatuks võimaluse, et nad annavad prootonite massile üsna väikese, kuid siiski jälgitava komponendi.
Kuigi mõned teadlased on jõudnud järeldusele, et võlukvargid ei suuda anda rohkem kui 0.5% prootoni impulsist, on teised leidnud, et selle panus on kuni 2%.
Viimases töös on NNPDF koostöö - koosneb Milano ülikooli, Amsterdami vaba ülikooli ja Edinburghi ülikooli füüsikutest - ütleb, et on leidnud "ühemõttelisi tõendeid", et sisemised võlukvargid on tõepoolest olemas. See on teinud seda, tuginedes LHC-st ja mujalt saadud kokkupõrkeandmetele, mida varem kasutati nn partonijaotusfunktsioonide (PDF-ide) väljatöötamiseks, mida nad nimetavad NNPDF4.0-ks.
Punktitaolised osakesed
Parton on üldtermin, mis kirjeldab punkt-sarnaseid osakesi hadronis, mille Richard Feynman pakkus välja 1960. aastatel osakeste kokkupõrgete analüüsimiseks ja on nüüd samaväärne kvargi või gluooniga. Kuna partonite impulss, spin ja muud omadused määratakse tugeva jõuga väga suure sidestuse tingimustes, ei saa nende väärtusi arvutada, kasutades häiriva QCD korral võimalikke lähendusi. Siiski on hadronite kokkupõrgete kinemaatika uurimisel võimalik koostada tõenäosusjaotused, mis näitavad tõenäosust, et partonil on teatud skaalal teatud murdosa hadroni impulsist.
Uus uurimus hõlmas võlukvargi PDF-i arvutamist, võttes arvesse hoogu, mida see ja kolm kõige kergemat kvarki – üles, alla ja kummalised – aitavad hajumise protsessis kaasa põrkuvale prootonile. Seejärel kasutasid nad häirivat QCD-d – lähendades tugevaid interaktsioone, kasutades tugeva sidestusavaldise laiendamiseks kas kahte või kolme esimest terminit –, et teisendada see PDF-fail PDF-failiks, mis koosneb ainult kolmest kergeimast kvargist pärit kiirguskomponentidest. Nagu nad märgivad, sisaldaks see uus PDF-fail ilma võlukvargi enda kiirguskomponendist ainult olemuslikku võlu.
Tehes seda närvivõrke kasutades, et eksperimentaalsed andmed kõige paremini sobitada PDF-failide kuju ja suurusega, järeldavad nad, et sisemised võlukvargid on kindlasti olemas. Kuigi nad selgitavad välja, et sisemine võlu moodustab prootoni impulsist vähem kui 1%, sarnaneb sellega seotud PDF suuresti teoorias eeldatuga – tipp on umbes 0.4 impulsi murdosa juures (väikesed tõenäosused, mis tähendavad, et integratsioon annab väikese kogusumma), kuid väheneb. kiiresti väikeste fraktsioonidena. See ühtib täpselt ka muude kokkupõrkeandmete põhjal välja töötatud PDF-failidega – täpsemalt LHCb katses Z-bosonite tootmisega seotud hiljutiste tulemustega ja CERNi Euroopa Muonikoostöö (EMC) palju varasemate andmetega.
NNPDF arvutab, et ainuüksi selle 4.0 analüüsi andmetega on sisemise võlu tegelikkuse statistiline olulisus umbes 2.5σ, samas kui olulisus tõuseb umbes 3σ-ni, kui kaasatakse ka LHCb ja EMC andmed. 5σ või suuremat statistilist olulisust peetakse tavaliselt osakeste füüsika avastuseks.
"Meie avastused lõpetavad nukleonite struktuuri mõistmise põhiküsimuse, mille üle on osakeste- ja tuumafüüsikud viimase 40 aasta jooksul ägedalt vaielnud," kirjutatakse koostöös. loodus kirjeldades oma uurimistööd.
Neutriino vaatlused
Teadlased väidavad, et ootavad huviga edasisi uuringuid sisemise võlu kohta sellistes katsetes nagu CERNi LHCb ja elektron-ioonipõrgeti (praegu ehitatakse USA-s Brookhaveni riiklikus laboris). Vaatlused neutriinoteleskoopides pakuvad huvi ka seetõttu, et võlukvarke sisaldavad osakesed võivad laguneda, tekitades Maa atmosfääris neutriinosid. Need mõõtmised võivad aidata tuvastada sisemise võlu kuju ja ulatust, samuti tuvastada erinevusi olemuslike võlukvarkide ja antikvarkide vahel,“ ütles rühma liige. Juan Rojo Amsterdami Vaba Ülikoolist.
Mõned kosmilised neutriinod ei pruugi siiski olla kosmilised
Ka teised eksperdid tervitavad täiendavaid andmeid, kuid ei nõustu viimase töö tähtsusega. Stanley Brodsky USA SLAC National Accelerator Laboratory ütleb, et tulemus annab veenvaid tõendeid sisemise võlu kohta. Kuid, Ramona Vogt Lawrence Livermore'i riiklikust laborist, samuti USA-s, juhib tähelepanu sellele, et selle statistiline olulisus jääb alla osakeste füüsika avastamiseks vajalikust. "See tulemus on samm edasi, kuid see pole viimane sõna," ütleb ta.
Wally Melnitchouk Thomas Jefferson National Accelerator Facility, taas USA-s, on kriitilisem. Ta leiab, et NNPDF-i tõendid pole kaugeltki lõplikud, vaid sõltuvad sellest, kuidas see määratleb sisemise võlu ja valikuid, mida see segava arvutuse jaoks teeb, väites, et teiste rühmade definitsioonid, mis pole tõendeid leidnud, on võrdselt kehtivad. Ta väidab, et palju mõjuvam signaal oleks erinevuse jälgimine prootoni võlu ja anti-võlu PDF-ide vahel. "Nende nullist erinev erinevus on palju vähem vastuvõtlik teoreetiliste skeemide ja määratluste valikutele, " ütleb ta.
