یک بحث 40 ساله درباره کوارک های جذاب در پروتون ها ممکن است با تجزیه و تحلیل ماشینی جدید داده های برخورد دهنده بزرگ هادرون (LHC) در سرن و سایر تاسیسات حل و فصل شده باشد. با این حال، همه فیزیک ذرات با این ارزیابی موافق نیستند.
برای چندین دهه، فیزیکدانان در مورد اینکه آیا پروتون ها حاوی کوارک های جذابیت ذاتی هستند یا خیر بحث کرده اند. کرومودینامیک کوانتومی (QCD)، نظریه نیروی هسته ای قوی، به ما می گوید که پروتون ها از دو کوارک بالا و یک کوارک پایین تشکیل شده اند که توسط حامل های نیرو به نام گلوئون به هم متصل شده اند. اما همچنین پیش‌بینی می‌کند که پروتون‌ها، مانند نوترون‌ها یا هر هادرون دیگری، حاوی مجموعه‌ای از جفت‌های کوارک-ضد کوارک دیگر هستند.
تعداد زیادی از این ذرات اضافی زمانی که گلوئون ها در طی برخوردهای پرانرژی بین پروتون ها شتاب می گیرند، تولید می شوند، درست همانطور که تئوری الکترومغناطیسی به ما می گوید که وقتی ذرات باردار شتاب می گیرند فوتون ها خارج می شوند. اما چیزی که کمتر واضح است، میزان وجود کوارک‌های اضافی در پروتون‌ها و نوترون‌ها است – به اصطلاح کوارک‌های ذاتی که به توابع موج کوانتومی هادرون‌ها کمک می‌کنند.
سنگین تر از پروتون
دانشمندان در مورد وجود کوارک های عجیب ذاتی توافق دارند، با توجه به اینکه کوارک های عجیب جرمی به مراتب کمتر از پروتون دارند. با این حال، همچنان عدم قطعیت در مورد وجود و سهم احتمالی کوارک‌های جذابیت ذاتی وجود دارد. این کوارک‌ها از پروتون‌ها سنگین‌تر هستند، اما فقط به مقدار کمی - این احتمال را باز می‌گذارند که یک جزء نسبتاً کوچک اما قابل مشاهده برای جرم پروتون ایجاد کنند.
در حالی که برخی از محققان به این نتیجه رسیده‌اند که کوارک‌های جذاب نمی‌توانند بیش از 0.5 درصد از تکانه یک پروتون را تامین کنند، دیگران در عوض دریافته‌اند که سهمی تا 2 درصد ممکن است.
در جدیدترین اثر، همکاری NNPDF - متشکل از فیزیکدانان دانشگاه میلان، دانشگاه آزاد آمستردام و دانشگاه ادینبورگ - می گوید که "شواهد روشنی" پیدا کرده است که کوارک های جذابیت ذاتی واقعا وجود دارند. این کار را با ترسیم مجموعه‌ای از داده‌های برخورد از LHC و جاهای دیگر انجام داده است که قبلاً برای کار کردن آنچه به عنوان توابع توزیع پارتون (PDF) شناخته می‌شود، که آنها را NNPDF4.0 می‌نامند، استفاده می‌کرد.
ذرات نقطه مانند
پارتون یک اصطلاح عمومی برای توصیف ذرات نقطه مانند درون هادرون است که توسط ریچارد فاینمن در دهه 1960 برای تجزیه و تحلیل برخورد ذرات پیشنهاد شد و اکنون معادل کوارک یا گلوئون است. از آنجایی که تکانه، اسپین و سایر ویژگی‌های پارتون‌ها توسط نیروی قوی تحت شرایط کوپلینگ بسیار بزرگ تعیین می‌شوند، مقادیر آنها را نمی‌توان با استفاده از تقریب‌های ممکن با QCD آشفته محاسبه کرد. با این حال، با مطالعه سینماتیک برخورد هادرون می‌توان توزیع‌های احتمالی را ایجاد کرد که نشان می‌دهد یک پارتون کسری معینی از تکانه هادرون در مقیاس خاصی داشته باشد.
تحقیق جدید شامل محاسبه PDF کوارک جذاب با در نظر گرفتن تکانه ای است که آن و سه سبک ترین کوارک - بالا، پایین و عجیب - در برخورد پروتون در فرآیند پراکندگی نقش دارند. آنها سپس از QCD آشفته - تقریب فعل و انفعالات قوی با استفاده از دو یا سه عبارت اول در بسط عبارت جفت قوی - برای تبدیل این PDF به فایلی متشکل از اجزای تشعشعی فقط از سه کوارک سبک استفاده کردند. همانطور که آنها اشاره می کنند، این پی دی اف جدید بدون مولفه تشعشعی کوارک جذاب، تنها جذابیت ذاتی را در بر خواهد داشت.
با انجام این کار با استفاده از شبکه‌های عصبی برای تطبیق داده‌های تجربی با شکل و اندازه فایل‌های PDF، به این نتیجه رسیدند که کوارک‌های جذابیت ذاتی قطعا وجود دارند. اگرچه آنها متوجه می شوند که جذابیت ذاتی کمتر از 1٪ از تکانه پروتون را تشکیل می دهد، PDF مرتبط با آن به شدت شبیه آنچه از تئوری انتظار می رود - یک اوج در کسری تکانه حدود 0.4 (احتمالات کوچکی که به معنای یکپارچگی بازده کمی است) در حالی که به دنبال آن کاهش می یابد، است. به سرعت در کسرهای کوچک همچنین با فایل‌های PDF به‌دست‌آمده از سایر داده‌های برخورد مطابقت دارد - به‌ویژه، نتایج اخیر مربوط به تولید بوزون‌های Z در آزمایش LHCb و داده‌های خیلی زودتر از همکاری میون اروپایی CERN (EMC).
NNPDF محاسبه می‌کند که تنها با داده‌های آنالیز 4.0، اهمیت آماری واقعی بودن جذابیت ذاتی حدود 2.5σ است، در حالی که اگر داده‌های LHCb و EMC نیز لحاظ شوند، اهمیت به حدود 3σ افزایش می‌یابد. اهمیت آماری 5σ یا بیشتر معمولاً به عنوان یک کشف در فیزیک ذرات در نظر گرفته می شود.
این همکاری در مقاله ای می نویسد: "یافته های ما یک سوال باز اساسی در درک ساختار نوکلئون را که در 40 سال گذشته توسط فیزیکدانان ذرات و هسته ای به شدت مورد بحث بوده است، بسته است." طبیعت تحقیق خود را شرح می دهد.
مشاهدات نوترینو
محققان می گویند مشتاقانه منتظر مطالعات بیشتر در مورد جذابیت ذاتی در آزمایش هایی مانند LHCb سرن و آزمایش هایی در برخورد دهنده یون الکترون (که در حال حاضر در آزمایشگاه ملی بروکهاون در ایالات متحده ساخته می شود) هستند. مشاهدات در تلسکوپ‌های نوترینو نیز جالب است زیرا ذرات حاوی کوارک‌های جذاب می‌توانند برای تولید نوترینو در جو زمین تجزیه شوند. به گفته یکی از اعضای گروه، این اندازه‌گیری‌ها می‌تواند به تعیین شکل و بزرگی جذابیت ذاتی و همچنین بررسی هرگونه تفاوت بین کوارک‌های جذابیت ذاتی و آنتی‌کوارک‌ها کمک کند. خوان روخو از دانشگاه آزاد آمستردام
برخی از نوترینوهای کیهانی ممکن است در نهایت کیهانی نباشند
کارشناسان دیگر نیز از داده های بیشتر استقبال می کنند اما در مورد اهمیت آخرین کار اختلاف نظر دارند. استنلی برادسکی در آزمایشگاه ملی شتاب دهنده SLAC در ایالات متحده می‌گوید که این نتیجه شواهد متقاعدکننده‌ای برای جذابیت ذاتی ارائه می‌دهد. با این حال، رامونا وگت از آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور، همچنین در ایالات متحده، اشاره می کند که اهمیت آماری آن کمتر از آن چیزی است که برای کشف در فیزیک ذرات لازم است. او می‌گوید: «این نتیجه یک گام به جلو است اما حرف نهایی نیست.
والی ملنیچوک در تأسیسات شتاب دهنده ملی توماس جفرسون، دوباره در ایالات متحده، بحرانی تر است. او شواهد NNPDF را به دور از قطعی بودن، مشروط به تعریف جذابیت ذاتی و انتخاب هایی می داند که برای محاسبه اغتشاشگر انجام می دهد، و استدلال می کند که تعاریف گروه های دیگر که شواهدی پیدا نکرده اند به همان اندازه معتبر هستند. او معتقد است که سیگنال بسیار قانع‌کننده‌تر، مشاهده تفاوت بین PDFهای جذاب و ضد جذابیت در پروتون است. او می‌گوید: «تفاوت غیر صفر بین این‌ها بسیار کمتر مستعد انتخاب طرح‌ها و تعاریف نظری است».
