40 vuotta vanha keskustelu protoneissa olevista viehätyskvarkeista on saatettu ratkaista uudella koneoppimisanalyysillä CERNin ja muiden laitosten Large Hadron Colliderin (LHC) tiedoista. Kaikki hiukkasfysiikka eivät kuitenkaan ole samaa mieltä tämän arvion kanssa.
Fyysikot ovat vuosikymmeniä keskustelleet siitä, sisältävätkö protonit niin sanottuja luontaisia viehätyskvarkeja. Kvanttikromodynamiikka (QCD), vahvan ydinvoiman teoria, kertoo meille, että protonit koostuvat kahdesta ylös- ja alas-kvarkista, jotka on sidottu yhteen voimankantajilla, joita kutsutaan gluoneiksi. Mutta se ennustaa myös, että protonit, kuten neutronit tai muut hadronit, sisältävät joukon muita kvarkki-anti-kvarkkipareja.
Suuria määriä näitä lisähiukkasia tiedetään syntyvän, kun gluoneja kiihdytetään protonien välisissä suurienergisissa törmäyksissä, aivan kuten sähkömagneettinen teoria kertoo, että fotoneja vapautuu, kun varatut hiukkaset kiihtyvät. Mutta vähemmän selvää on, missä määrin protoneissa ja neutroneissa voi aluksi olla ylimääräisiä kvarkeja – niin sanottuja sisäisiä kvarkkeja, jotka vaikuttavat hadronien kvanttiaaltofunktioihin.
Raskaampi kuin protonit
Tutkijat ovat yhtä mieltä luontaisten outojen kvarkkien olemassaolosta, koska oudoilla kvarkeilla on paljon pienempi massa kuin protoneilla. Epävarmuus luontaisten viehätyskvarkkien olemassaolosta ja mahdollisesta vaikutuksesta on kuitenkin edelleen olemassa. Nämä kvarkit ovat raskaampia kuin protonit, mutta vain vähän – jättää avoimeksi mahdollisuuden, että ne muodostavat melko pienen, mutta kuitenkin havaittavan komponentin protonin massaan.
Jotkut tutkijat ovat tulleet siihen johtopäätökseen, että viehätyskvarkit voivat tarjota enintään 0.5 % protonin liikemäärästä, toiset ovat sen sijaan havainneet, että jopa 2 %:n osuus on mahdollinen.
Uusimmassa teoksessa, NNPDF-yhteistyö - koostuu Milanon yliopiston, Amsterdamin vapaan yliopiston ja Edinburghin yliopiston fyysikoista - sanoo löytäneensä "kiistämättömiä todisteita" siitä, että luontaisia viehätyskvarkeja on todellakin olemassa. Se on tehnyt sen hyödyntämällä LHC:stä ja muualta saatuja törmäystietoja, joita se käytti aiemmin niin kutsuttujen parton-jakofunktioiden (PDF) laatimiseen, joita he kutsuvat NNPDF4.0:ksi.
Pistemäisiä hiukkasia
Parton on geneerinen termi kuvaamaan pistemäisiä hiukkasia hadronissa. Richard Feynman ehdotti 1960-luvulla analysoimaan hiukkasten törmäyksiä ja vastaa nyt kvarkkia tai gluonia. Koska partonien liikemäärä, spin ja muut ominaisuudet määräytyvät vahvan voiman vaikutuksesta erittäin suuren kytkennän olosuhteissa, niiden arvoja ei voida laskea käyttämällä perturbatiivisen QCD:n mahdollisia approksimaatioita. Kuitenkin tutkimalla hadronin törmäysten kinematiikkaa on mahdollista rakentaa todennäköisyysjakaumia, jotka osoittavat todennäköisyyden, että partonilla on tietty murto-osa hadronin liikemäärästä tietyssä mittakaavassa.
Uuteen tutkimukseen sisältyi charmikvarkin PDF-tiedoston laskeminen ottamalla huomioon vauhti, jonka se ja kolme kevyintä kvarkkia – ylös, alas ja outo – myötävaikuttavat törmäävään protoniin sirontaprosessissa. Sitten he käyttivät häiritsevää QCD:tä – lähentäen voimakkaita vuorovaikutuksia käyttämällä joko kahta tai kolmea ensimmäistä termiä vahvan kytkentälausekkeen laajennuksessa – muuntaakseen tämän PDF-tiedoston sellaiseksi, joka koostuu vain kevyimmästä kolmesta kvarkista peräisin olevista säteilykomponenteista. Kuten he huomauttavat, tämä uusi PDF sisältää vain luontaisen viehätysvoiman, kun viehätyskvarkin oma säteilykomponentti on poistettu.
Käyttämällä hermoverkkoja sovittaakseen kokeellisen tiedon parhaiten PDF-tiedostojen muotoon ja suuruuteen, he päättelevät, että luontaisia viehätyskvarkkeja on varmasti olemassa. Vaikka he selvittävät, että luontainen viehätysvoima muodostaa alle 1 % protonin liikemäärästä, siihen liittyvä PDF muistuttaa vahvasti teoriassa odotettua – huippu vauhdin murto-osalla noin 0.4 (pienet todennäköisyydet tarkoittavat, että integraatio tuottaa pienen kokonaismäärän), mutta hidastuu. nopeasti pienillä osilla. Se vastaa myös läheisesti muista törmäystiedoista saatuja PDF-tiedostoja – erityisesti viimeaikaisia Z-bosonien tuotantoa koskevia tuloksia LHCb-kokeessa ja paljon aikaisempia CERNin European Muon Collaborationin (EMC) tietoja.
NNPDF laskee, että pelkästään sen 4.0-analyysin tiedoilla sisäisen viehätyksen todenmukaisuuden tilastollinen merkitys on noin 2.5σ, kun taas merkitsevyys nousee noin 3σ:iin, jos myös LHCb- ja EMC-tiedot otetaan mukaan. Tilastollista merkitsevyyttä, joka on 5σ tai suurempi, pidetään yleensä löydöksenä hiukkasfysiikassa.
"Löydöksemme sulkevat perustavanlaatuisen avoimen kysymyksen nukleonirakenteen ymmärtämisessä, josta hiukkas- ja ydinfyysikot ovat kiihkeästi keskustelleet viimeisten 40 vuoden aikana", yhteistyö kirjoittaa luonto kuvailemaan tutkimustaan.
Neutrinohavainnot
Tutkijat sanovat odottavansa lisätutkimuksia luontaisesta viehätysvoimasta sellaisissa kokeissa kuin CERNin LHCb ja Electron-Ion Collider (jota rakennetaan tällä hetkellä Brookhaven National Laboratoryssa Yhdysvalloissa). Neutriinoteleskooppien havainnot ovat myös kiinnostavia, koska viehätyskvarkeja sisältävät hiukkaset voivat hajota muodostaen neutriinoja Maan ilmakehään. Nämä mittaukset voivat auttaa tunnistamaan luontaisen viehätysvoiman muodon ja suuruuden sekä tutkimaan mahdollisia eroja luontaisten viehätyskvarkkien ja antikvarkkien välillä", ryhmän jäsen sanoo. Juan Rojo Amsterdamin vapaasta yliopistosta.
Jotkut kosmiset neutriinot eivät välttämättä ole kosmisia
Myös muut asiantuntijat suhtautuvat myönteisesti lisätietoihin, mutta ovat eri mieltä viimeisimmän työn tärkeydestä. Stanley Brodsky SLAC National Accelerator Laboratoryssa Yhdysvalloissa sanotaan, että tulos tarjoaa "vakuuttavia" todisteita luontaisesta viehätysvoimasta. Kuitenkin, Ramona Vogt Lawrence Livermore National Laboratorysta, myös Yhdysvalloissa, huomauttaa, että sen tilastollinen merkitsevyys on pienempi kuin mitä tarvitaan hiukkasfysiikan löytöihin. "Tämä tulos on askel eteenpäin, mutta se ei ole viimeinen sana", hän sanoo.
Wally Melnitchouk Thomas Jefferson National Accelerator Facilityssä, jälleen Yhdysvalloissa, on kriittisempi. Hän ei suinkaan ole lopullista, vaan hän pitää NNPDF:n todisteita riippuvaisena siitä, kuinka se määrittelee luontaisen viehätyksen ja valinnat, joita se tekee häiritsevää laskelmaa varten. Hän väittää, että muiden ryhmien määritelmät, jotka eivät ole löytäneet todisteita, ovat yhtä päteviä. Hän väittää, että paljon vakuuttavampi signaali olisi havaita ero viehätysvoiman ja viehätyksen vastaisten PDF-tiedostojen välillä protonissa. "Nollasta poikkeava ero näiden välillä on paljon vähemmän altis teoreettisten kaavioiden ja määritelmien valinnalle", hän sanoo.
