A protonokban található varázskvarkokról szóló, 40 éves vitát a CERN-ben és más létesítményekben található Large Hadron Collider (LHC) adatainak új gépi tanulási elemzése dönthette el. Ezzel az értékeléssel azonban nem minden részecskefizika ért egyet.
A fizikusok évtizedek óta vitatják, hogy a protonok tartalmaznak-e úgynevezett belső bájkvarkot. A kvantumkromodinamika (QCD), az erős magerő elmélete azt mondja nekünk, hogy a protonok két felfelé és egy lefelé kvarkból állnak, amelyeket gluonoknak nevezett erőhordozók kötnek össze. De azt is megjósolja, hogy a protonok, akárcsak a neutronok vagy bármely más hadron, számos más kvark-anti-kvark párt tartalmaznak.
Ismeretes, hogy ezekből a további részecskékből nagyszámú keletkezik, amikor a gluonokat felgyorsítják a protonok közötti nagy energiájú ütközések során, ahogy az elektromágneses elmélet azt mondja, hogy a töltött részecskék felgyorsulásakor fotonok szabadulnak fel. De ami kevésbé világos, az az, hogy kezdetben milyen mértékben lehetnek további kvarkok a protonokban és neutronokban – az úgynevezett belső kvarkok, amelyek hozzájárulnak a hadronok kvantumhullámfüggvényeihez.
Nehezebb a protonoknál
A tudósok egyetértenek a belső furcsa kvarkok létezésében, mivel a furcsa kvarkok sokkal kisebb tömegűek, mint a protonok. Azonban továbbra is bizonytalan a belső bájkvarkok létezése és lehetséges hozzájárulása. Ezek a kvarkok nehezebbek a protonoknál, de csak kis mértékben – nyitva hagyva annak lehetőségét, hogy meglehetősen kicsi, de mégis megfigyelhető komponenst adnak a proton tömegének.
Míg egyes kutatók arra a következtetésre jutottak, hogy a varázskvarkok legfeljebb 0.5%-át képesek biztosítani a proton lendületének, mások ehelyett azt találták, hogy akár 2%-os hozzájárulás is lehetséges.
A legújabb műben a NNPDF együttműködés – amely a Milánói Egyetem, az Amszterdami Szabadegyetem és az Edinburghi Egyetem fizikusaiból áll – azt állítja, hogy „egyértelmű bizonyítékot” talált arra, hogy a belső bájkvarkok valóban léteznek. Ezt úgy tette, hogy az LHC-ből és máshonnan származó ütközési adatok halmazaiból merített, amelyeket korábban az úgynevezett parton elosztási függvények (PDF-ek) kidolgozására használt, amelyeket NNPDF4.0-nak neveznek.
Pontszerű részecskék
A Parton egy általános kifejezés a hadronban lévő pontszerű részecskék leírására, Richard Feynman javasolta az 1960-as években a részecskeütközések elemzésére, és ma egyenértékű a kvarkkal vagy gluonnal. Mivel a partonok impulzusát, spinjét és egyéb tulajdonságait az erős erő határozza meg nagyon nagy csatolás körülményei között, értékeik nem számíthatók ki a perturbatív QCD-vel lehetséges közelítésekkel. A hadronütközések kinematikájának tanulmányozásával azonban lehetőség nyílik valószínűségi eloszlások felépítésére, amelyek megmutatják, hogy egy partonnak egy adott skálán a hadron impulzusának egy bizonyos hányada lesz.
Az új kutatás során egy varázskvark PDF-jét úgy számították ki, hogy figyelembe vették azt a lendületet, amelyet ez és a három legkönnyebb kvark – felfelé, lefelé és furcsa – hozzájárul egy proton ütközéséhez a szórási folyamatban. Ezután perturbatív QCD-t alkalmaztak – az erős kölcsönhatásokat az erős csatolás kifejezésének kiterjesztéseként az első két vagy három kifejezés használatával közelítve –, hogy ezt a PDF-fájlt olyanná alakítsák, amely csak a legkönnyebb három kvark sugárzási összetevőit tartalmazza. Amint rámutatnak, a varázskvark saját sugárzó összetevőitől megfosztva ez az új PDF csak a belső bájt tartalmazná.
A neurális hálózatok segítségével a kísérleti adatoknak a PDF-fájlok alakjával és nagyságrendjével a lehető legjobban egyeztetése érdekében arra a következtetésre jutottak, hogy a belső bájkvarkok biztosan léteznek. Bár kiderítették, hogy az intrinsic charm kevesebb, mint 1%-ban járul hozzá a proton lendületéhez, a kapcsolódó PDF-fájl erősen hasonlít az elméletből várthoz – 0.4 körüli impulzustöredéknél a csúcs (az apró valószínűségek azt jelentik, hogy az integráció kis összeget eredményez), miközben csökken. gyorsan kis frakciókban. Szintén szorosan egyezik az egyéb ütközési adatokból kidolgozott PDF-fájlokkal – különösen az LHCb kísérletben a Z-bozonok termelésével kapcsolatos legújabb eredményekkel és a CERN European Muon Collaboration (EMC) sokkal korábbi adataival.
Az NNPDF számításai szerint pusztán a 4.0-s elemzéséből származó adatokkal az intrinsic charm valósságának statisztikai szignifikanciája körülbelül 2.5σ, míg a szignifikancia körülbelül 3σ-ra emelkedik, ha az LHCb és az EMC adatokat is figyelembe veszik. Az 5σ vagy nagyobb statisztikai szignifikanciát általában a részecskefizika felfedezésének tekintik.
"Eredményeink lezárnak egy alapvető nyitott kérdést a nukleonszerkezet megértésében, amelyről a részecske- és magfizikusok heves vitákat folytattak az elmúlt 40 évben" - írja az együttműködés Természet leírja kutatásait.
Neutrinó megfigyelések
A kutatók azt mondják, hogy várakozással tekintenek a belső varázslat további tanulmányozására olyan kísérletekben, mint a CERN LHCb és az Elektron-Ionütköztető (jelenleg az Egyesült Államokban a Brookhaven National Laboratoryban épülő) kísérletei. A neutrínó teleszkópokon végzett megfigyelések azért is érdekesek, mert a varázskvarkokat tartalmazó részecskék bomlással neutrínókat generálhatnak a Föld légkörében. Ezek a mérések segíthetnek meghatározni a belső báj alakját és nagyságát, valamint a belső bájkvarkok és az antikvarkok közötti különbségeket” – állítja a csoport tagja. Juan Rojo az Amszterdami Szabadegyetemen.
Néhány kozmikus neutrínó mégsem kozmikus
Más szakértők is üdvözlik a további adatokat, de nem értenek egyet a legújabb munka fontosságával kapcsolatban. Stanley Brodsky az amerikai SLAC National Accelerator Laboratory szerint az eredmény „meggyőző” bizonyítékot szolgáltat a belső varázslatra. Azonban, Ramona Vogt A szintén amerikai Lawrence Livermore National Laboratory munkatársa rámutat, hogy statisztikai szignifikanciája elmarad a részecskefizikai felfedezéshez szükségestől. „Ez az eredmény előrelépés, de nem ez a végső szó” – mondja.
Wally Melnitchouk a Thomas Jefferson National Accelerator Facility, ismét az Egyesült Államokban, kritikusabb. Az NNPDF bizonyítékait távolról sem véglegesnek tekinti, hanem attól függ, hogy miként határozza meg az intrinsic varázst és milyen döntéseket hoz a perturbatív számításokhoz, azzal érvelve, hogy más, bizonyítékot nem találó csoportok definíciói is érvényesek. Azt állítja, hogy sokkal meggyőzőbb jel lenne a különbség megfigyelése a protonban lévő varázs és anti-báj PDF-ek között. „A köztük lévő nullától eltérő különbség sokkal kevésbé érzékeny az elméleti sémák és definíciók megválasztására” – mondja.
