Un dibattito di 40 anni sui quark charm nei protoni potrebbe essere stato risolto da una nuova analisi di apprendimento automatico dei dati del Large Hadron Collider (LHC) del CERN e di altre strutture. Tuttavia, non tutta la fisica delle particelle concorda con questa valutazione.
Per decenni i fisici hanno discusso se i protoni contenessero i cosiddetti quark dal fascino intrinseco. La cromodinamica quantistica (QCD), la teoria della forza nucleare forte, ci dice che i protoni sono costituiti da due quark up e un quark down legati insieme da trasportatori di forza chiamati gluoni. Ma prevede anche che i protoni, come i neutroni o qualsiasi altro adrone, contengano una serie di altre coppie quark-antiquark.
È noto che un gran numero di queste particelle aggiuntive vengono generate quando i gluoni vengono accelerati durante collisioni ad alta energia tra protoni, proprio come la teoria elettromagnetica ci dice che i fotoni vengono emessi quando le particelle cariche accelerano. Ma ciò che è meno chiaro è la misura in cui potrebbero esserci quark aggiuntivi all’interno dei protoni e dei neutroni, i cosiddetti quark intrinseci che contribuiscono alle funzioni d’onda quantistiche degli adroni.
Più pesante dei protoni
Gli scienziati concordano sull’esistenza dei quark strani intrinseci, dato che i quark strani hanno una massa molto più piccola di quella dei protoni. Tuttavia, continua a esserci incertezza sull’esistenza e sul possibile contributo dei quark dal fascino intrinseco. Questi quark sono più pesanti dei protoni, ma solo di una piccola quantità, lasciando aperta la possibilità che forniscano una componente abbastanza piccola ma comunque osservabile alla massa di un protone.
Mentre alcuni ricercatori hanno concluso che i quark charm possono fornire non più dello 0.5% della quantità di moto di un protone, altri hanno invece scoperto che è possibile un contributo fino al 2%.
Nell'ultimo lavoro, il Collaborazione NNPDF – composto da fisici dell’Università di Milano, della Libera Università di Amsterdam e dell’Università di Edimburgo – afferma di aver trovato “prove inequivocabili” che i quark dal fascino intrinseco esistono davvero. Lo ha fatto attingendo a risme di dati sulle collisioni provenienti dall’LHC e altrove che aveva precedentemente utilizzato per elaborare quelle che sono note come funzioni di distribuzione dei partoni (PDF), che chiamano NNPDF4.0.
Particelle puntiformi
Parton è un termine generico per descrivere particelle puntiformi all'interno di un adrone, proposto da Richard Feynman negli anni '1960 per analizzare le collisioni di particelle ed è ora equivalente a un quark o un gluone. Poiché la quantità di moto, lo spin e altre proprietà dei partoni sono determinate dalla forza forte in condizioni di accoppiamento molto ampio, i loro valori non possono essere calcolati utilizzando le approssimazioni possibili con la QCD perturbativa. Tuttavia, studiando la cinematica delle collisioni tra adroni è possibile costruire distribuzioni di probabilità che mostrano le probabilità che un partone abbia una certa frazione della quantità di moto di un adrone su una scala particolare.
La nuova ricerca prevedeva il calcolo della PDF di un quark charm considerando l’impulso che esso e i tre quark più leggeri – up, down e strange – contribuiscono alla collisione di un protone nel processo di diffusione. Hanno quindi utilizzato la QCD perturbativa – approssimando le interazioni forti utilizzando i primi due o tre termini in un’espansione dell’espressione di accoppiamento forte – per convertire questo PDF in uno costituito da componenti radiativi solo dei tre quark più leggeri. Come sottolineano, privato della componente radiativa del quark charm, questo nuovo PDF comprenderebbe solo fascino intrinseco.
Facendo ciò utilizzando le reti neurali per abbinare al meglio i dati sperimentali con la forma e la grandezza dei PDF, concludono che i quark dal fascino intrinseco esistono sicuramente. Anche se calcolano che il fascino intrinseco contribuisce per meno dell'1% alla quantità di moto del protone, la sua PDF associata assomiglia molto a quella prevista dalla teoria: un picco in una frazione di quantità di moto di circa 0.4 (le minuscole probabilità coinvolte indicano che l'integrazione produce un piccolo totale) mentre diminuisce rapidamente a piccole frazioni. Inoltre, corrisponde strettamente ai PDF elaborati da altri dati sulle collisioni – in particolare, ai risultati recenti che coinvolgono la produzione di bosoni Z nell’esperimento LHCb e ai dati molto precedenti della European Muon Collaboration (EMC) del CERN.
NNPDF calcola che con i soli dati della sua analisi 4.0 la significatività statistica del fatto che il fascino intrinseco sia reale è di circa 2.5σ, mentre la significatività sale a circa 3σ se si includono anche i dati LHCb ed EMC. Una significatività statistica pari o superiore a 5σ è solitamente considerata una scoperta nella fisica delle particelle.
"I nostri risultati chiudono una questione aperta fondamentale nella comprensione della struttura del nucleone che è stata oggetto di accesi dibattiti da parte dei fisici delle particelle e del nucleare negli ultimi 40 anni", scrive la collaborazione in un articolo in Natura descrivendo la sua ricerca.
Osservazioni sui neutrini
I ricercatori dicono che attendono con ansia ulteriori studi sul fascino intrinseco in esperimenti come LHCb del CERN e quelli dell’Electron-Ion Collider (attualmente in costruzione presso il Brookhaven National Laboratory negli Stati Uniti). Anche le osservazioni effettuate con i telescopi per neutrini sono interessanti perché le particelle contenenti quark charm possono decadere per generare neutrini nell’atmosfera terrestre. Queste misurazioni possono aiutare a definire la forma e l’entità del fascino intrinseco, nonché a sondare eventuali differenze tra quark e antiquark con fascino intrinseco”, secondo un membro del gruppo. Juan Rojo della Libera Università di Amsterdam.
Dopotutto, alcuni neutrini cosmici potrebbero non essere cosmici
Anche altri esperti accolgono con favore ulteriori dati, ma non sono d’accordo sull’importanza dell’ultimo lavoro. Stanley Brodskij presso lo SLAC National Accelerator Laboratory negli Stati Uniti afferma che il risultato fornisce prove “convincenti” del fascino intrinseco. Tuttavia, Ramona Vogt del Lawrence Livermore National Laboratory, sempre negli Stati Uniti, sottolinea che la sua significatività statistica è inferiore a quella necessaria per le scoperte nel campo della fisica delle particelle. “Questo risultato è un passo avanti ma non è l’ultima parola”, afferma.
Wally Melnitchouk presso la Thomas Jefferson National Accelerator Facility, sempre negli Stati Uniti, è più critica. Lungi dall’essere definitive, egli considera le prove dell’NNNPDF dipendenti dal modo in cui definisce il fascino intrinseco e dalle scelte che fa per il calcolo perturbativo, sostenendo che le definizioni di altri gruppi che non hanno trovato prove sono ugualmente valide. Egli sostiene che un segnale molto più convincente sarebbe l'osservazione di una differenza tra le PDF charm e anti-charm nel protone. “Una differenza diversa da zero tra questi è molto meno suscettibile alle scelte di schemi e definizioni teoriche”, afferma.
