Perdebatan selama 40 tahun tentang pesona quark dalam proton mungkin telah diselesaikan dengan analisis data pembelajaran mesin baru dari Large Hadron Collider (LHC) di CERN dan fasilitas lainnya. Namun, tidak semua fisika partikel setuju dengan penilaian ini.
Selama beberapa dekade, fisikawan memperdebatkan apakah proton mengandung apa yang dikenal sebagai quark pesona intrinsik. Kromodinamika kuantum (QCD), teori gaya nuklir kuat, memberi tahu kita bahwa proton terdiri dari dua quark atas dan satu quark bawah yang diikat bersama oleh pembawa gaya yang disebut gluon. Tapi itu juga memprediksi bahwa proton, seperti neutron atau hadron lainnya, mengandung banyak pasangan quark-anti quark lainnya.
Sejumlah besar partikel tambahan ini diketahui dihasilkan ketika gluon dipercepat selama tumbukan berenergi tinggi antara proton, seperti teori elektromagnetik yang memberi tahu kita bahwa foton dilepaskan ketika partikel bermuatan berakselerasi. Tapi yang kurang jelas adalah sejauh mana mungkin ada quark tambahan di dalam proton dan neutron untuk memulai – yang disebut quark intrinsik yang berkontribusi pada fungsi gelombang kuantum hadron.
Lebih berat dari proton
Para ilmuwan sepakat tentang keberadaan quark aneh intrinsik, mengingat quark aneh memiliki massa yang jauh lebih kecil daripada proton. Namun, terus ada ketidakpastian tentang keberadaan dan kemungkinan kontribusi quark pesona intrinsik. Quark ini lebih berat daripada proton, tetapi hanya dalam jumlah kecil – membuka kemungkinan bahwa mereka menyediakan komponen massa proton yang cukup kecil namun dapat diamati.
Sementara beberapa peneliti telah menyimpulkan bahwa quark pesona dapat memberikan tidak lebih dari 0.5% momentum proton, yang lain malah menemukan bahwa kontribusi hingga 2% dimungkinkan.
Dalam karya terbarunya, the Kolaborasi NNPDF – terdiri dari fisikawan dari University of Milan, Free University of Amsterdam dan University of Edinburgh – mengatakan telah menemukan “bukti yang jelas” bahwa quark pesona intrinsik memang ada. Itu dilakukan dengan menggambar rim data tabrakan dari LHC dan di tempat lain yang sebelumnya digunakan untuk mengerjakan apa yang dikenal sebagai fungsi distribusi parton (PDF), yang mereka sebut NNPDF4.0.
Partikel seperti titik
Parton adalah istilah umum untuk mendeskripsikan partikel mirip titik di dalam hadron, yang diusulkan oleh Richard Feynman pada 1960-an untuk menganalisis tumbukan partikel dan sekarang setara dengan quark atau gluon. Karena momentum, putaran, dan properti lain dari parton ditentukan oleh gaya kuat dalam kondisi kopling yang sangat besar, nilainya tidak dapat dihitung menggunakan perkiraan yang mungkin dengan QCD perturbatif. Namun, dengan mempelajari kinematika tumbukan hadron, dimungkinkan untuk membangun distribusi probabilitas yang menunjukkan peluang bahwa parton akan memiliki sebagian kecil dari momentum hadron pada skala tertentu.
Penelitian baru melibatkan penghitungan PDF quark pesona dengan mempertimbangkan momentum bahwa ia dan tiga quark paling ringan – atas, bawah, dan aneh – berkontribusi pada tabrakan proton dalam proses hamburan. Mereka kemudian menggunakan QCD perturbatif – memperkirakan interaksi kuat dengan menggunakan dua atau tiga suku pertama dalam perluasan ekspresi kopling kuat – untuk mengubah PDF ini menjadi satu yang terdiri dari komponen radiatif hanya dari tiga quark paling ringan. Seperti yang mereka tunjukkan, komponen radiasi kuark pesona yang dilucuti dari PDF baru ini hanya akan terdiri dari pesona intrinsik.
Melakukannya dengan menggunakan jaringan saraf untuk mencocokkan data eksperimen dengan bentuk dan besarnya PDF, mereka menyimpulkan bahwa quark pesona intrinsik pasti ada. Meskipun mereka mengetahui bahwa pesona intrinsik menyumbang kurang dari 1% momentum proton, PDF terkaitnya sangat mirip dengan yang diharapkan dari teori – puncak pada fraksi momentum sekitar 0.4 (probabilitas kecil yang terlibat berarti integrasi menghasilkan total kecil) sambil mengekor. cepat pada pecahan kecil. Ini juga sangat cocok dengan PDF yang dihasilkan dari data tabrakan lainnya – khususnya, hasil terbaru yang melibatkan produksi boson Z pada percobaan LHCb dan data yang jauh lebih awal dari CERN's European Muon Collaboration (EMC).
NNPDF menghitung bahwa dengan data dari analisis 4.0 saja, signifikansi statistik pesona intrinsik menjadi nyata adalah sekitar 2.5σ, sedangkan signifikansi meningkat menjadi sekitar 3σ jika data LHCb dan EMC juga disertakan. Signifikansi statistik sebesar 5σ atau lebih biasanya dianggap sebagai penemuan dalam fisika partikel.
“Temuan kami menutup pertanyaan mendasar dalam memahami struktur nukleon yang telah diperdebatkan dengan hangat oleh fisikawan partikel dan nuklir selama 40 tahun terakhir,” tulis kolaborasi tersebut dalam sebuah makalah di Alam menggambarkan penelitiannya.
Pengamatan neutrino
Para peneliti mengatakan bahwa mereka menantikan studi lebih lanjut tentang pesona intrinsik pada eksperimen seperti LHCb CERN dan yang ada di Electron-Ion Collider (saat ini sedang dibangun di Brookhaven National Laboratory di AS). Pengamatan di teleskop neutrino juga menarik karena partikel yang mengandung quark pesona dapat membusuk untuk menghasilkan neutrino di atmosfer bumi. Pengukuran ini dapat membantu menentukan bentuk dan besarnya pesona intrinsik, serta menyelidiki perbedaan antara quark dan antiquark pesona intrinsik, ”menurut anggota kelompok. Juan Rojo dari Free University of Amsterdam.
Beberapa neutrino kosmik mungkin bukan kosmik
Pakar lain juga menyambut data lebih lanjut tetapi tidak setuju dengan pentingnya pekerjaan terbaru. Stanley Brodsky di Laboratorium Akselerator Nasional SLAC di AS mengatakan hasilnya memberikan bukti yang "meyakinkan" untuk pesona intrinsik. Namun, Ramona Vogt dari Laboratorium Nasional Lawrence Livermore, juga di AS, menunjukkan bahwa signifikansi statistiknya jauh dari yang diperlukan untuk penemuan dalam fisika partikel. “Hasil ini merupakan langkah maju tetapi ini bukanlah keputusan akhir,” katanya.
Wally Melnitchouk di Fasilitas Akselerator Nasional Thomas Jefferson, sekali lagi di AS, lebih kritis. Jauh dari definitif, dia menganggap bukti NNPDF bergantung pada bagaimana ia mendefinisikan pesona intrinsik dan pilihan yang dibuatnya untuk kalkulasi perturbatif, dengan alasan bahwa definisi dari kelompok lain yang belum menemukan bukti sama validnya. Dia berpendapat bahwa sinyal yang jauh lebih menarik adalah pengamatan perbedaan antara PDF pesona dan anti-pesona di proton. "Perbedaan yang tidak nol antara ini jauh lebih rentan terhadap pilihan skema dan definisi teoretis," katanya.
