פרוטונים מכילים קווארקי קסם מהותיים, כך עולה מניתוח למידת מכונה

ויכוח בן 40 שנה על קווארקי קסם בפרוטונים אולי הוסדר על ידי ניתוח חדש של למידת מכונה של נתונים ממאיץ ההדרונים הגדול (LHC) ב-CERN ומתקנים אחרים. עם זאת, לא כל פיזיקת החלקיקים מסכימה עם הערכה זו.

במשך עשרות שנים, פיסיקאים התווכחו אם פרוטונים מכילים את מה שמכונה קווארקי קסם פנימיים. כרומודינמיקה קוונטית (QCD), התיאוריה של הכוח הגרעיני החזק, אומרת לנו שהפרוטונים מורכבים משני קווארקים למעלה וקווארק למטה הקשורים יחדיו על ידי נושאי כוח הנקראים גלוונים. אבל הוא גם חוזה שפרוטונים, כמו נויטרונים או כל האדרון אחר, מכילים שורה של זוגות קווארק-אנטי קווארק אחרים.

ידוע שמספר גדול של חלקיקים נוספים אלה נוצר כאשר גלוונים מואצים במהלך התנגשויות באנרגיה גבוהה בין פרוטונים, בדיוק כפי שהתיאוריה האלקטרומגנטית אומרת לנו שפוטונים נפלטים כאשר חלקיקים טעונים מאיצים. אבל מה שפחות ברור הוא המידה שבה יכולים להיות קווארקים נוספים בתוך הפרוטונים והנייטרונים מלכתחילה - מה שנקרא קווארקים פנימיים שתורמים לפונקציות הגל הקוונטיות של ההדרונים.

כבד יותר מפרוטונים

מדענים מסכימים על קיומם של קווארקים מוזרים מהותיים, בהתחשב בכך שלקווארקים מוזרים יש מסה קטנה בהרבה מפרוטונים. עם זאת, ממשיכה להיות אי ודאות לגבי קיומם ותרומתם האפשרית של קווארקי קסם פנימיים. הקווארקים האלה כבדים יותר מפרוטונים, אבל רק בכמות קטנה - מה ומותיר את האפשרות שהם מספקים מרכיב קטן למדי אך עם זאת ניתן לצפייה למסה של פרוטון.

בעוד שכמה חוקרים הגיעו למסקנה שקווארקי קסם יכולים לספק לא יותר מ-0.5% מהתנופה של פרוטון, אחרים מצאו במקום זאת שתרומה של עד 2% אפשרית.

בעבודה האחרונה, ה NNPDF שיתוף פעולה - המורכב מפיזיקאים מאוניברסיטת מילאנו, האוניברסיטה החופשית של אמסטרדם ואוניברסיטת אדינבורו - אומר שהוא מצא "ראיות חד משמעיות" לכך שקווארקי קסם מהותיים אכן קיימים. היא עשתה זאת על ידי ציור על חבילות של נתוני התנגשות מה-LHC וממקומות אחרים, שקודם לכן נהגה לחשב את מה שמכונה פונקציות הפצת פרטון (PDF), אותן הם מכנים NNPDF4.0.

חלקיקים דמויי נקודה

פרטון הוא מונח כללי לתיאור חלקיקים דמויי-נקודה בתוך האדרון, שהוצע על ידי ריצ'רד פיינמן בשנות ה-1960 לניתוח התנגשויות של חלקיקים וכיום הוא שווה ערך לקווארק או גלואון. מכיוון שהתנע, הספין ותכונות אחרות של פרטונים נקבעים על ידי הכוח החזק בתנאים של צימוד גדול מאוד, לא ניתן לחשב את הערכים שלהם באמצעות הקירוב האפשרי עם QCD מטריד. עם זאת, על ידי לימוד הקינמטיקה של התנגשויות האדרון ניתן לבנות התפלגויות הסתברות המראות את הסיכויים שלפרטון יהיה חלק מסוים מהתנופה של האדרון בקנה מידה מסוים.

המחקר החדש כלל חישוב PDF של קווארק קסם על ידי התחשבות במומנטום שהוא ושלושת הקווארקים הקלים ביותר - למעלה, למטה ומוזרים - תורמים לפרוטון מתנגש בתהליך הפיזור. לאחר מכן הם השתמשו ב-QCD מטריד - קירוב לאינטראקציות חזקות על ידי שימוש בשניים או בשלושת האיברים הראשונים בהרחבה של ביטוי הצימוד החזק - כדי להמיר את ה-PDF הזה לאחד המורכב ממרכיבי קרינה רק משלושת הקווארקים הקלים ביותר. כפי שהם מציינים, ללא רכיב הקרינה של קווארק הקסם עצמו, ה-PDF החדש הזה יכלול רק קסם מהותי.

תוך שימוש ברשתות עצביות כדי להתאים את הנתונים הניסיוניים בצורה הטובה ביותר לצורתם ולגודלם של קובצי PDF, הם מסיקים שקווארקי קסם מהותיים בהחלט קיימים. למרות שהם מבינים שהקסם הפנימי תורם פחות מ-1% מתנופת הפרוטונים, ה-PDF המקושר שלו דומה מאוד לזה המצופה מהתיאוריה - שיא ​​בשבריר מומנטום של בסביבות 0.4 (ההסתברויות הזעירות מעורבות כלומר אינטגרציה מניבה סך קטן) תוך ירידה במהירות בשברים קטנים. זה גם תואם היטב את קובצי ה-PDF שעובדו מנתוני התנגשות אחרים - במיוחד, תוצאות עדכניות הכוללות ייצור של בוזונים Z בניסוי LHCb ונתונים מוקדמים הרבה יותר משיתוף הפעולה האירופי Muon (EMC) של CERN.

NNPDF מחשבת שעם הנתונים מניתוח 4.0 בלבד, המובהקות הסטטיסטית של קסם פנימי אמיתי היא בערך 2.5σ, בעוד שהמשמעות עולה לסביבות 3σ אם נכללים גם נתוני LHCb ו-EMC. מובהקות סטטיסטית של 5σ או יותר נחשבת בדרך כלל לתגלית בפיזיקה של חלקיקים.

"הממצאים שלנו סוגרים שאלה פתוחה מהותית בהבנת מבנה הגרעינים, שניתנה לוויכוח חריף על ידי פיסיקאי חלקיקים וגרעינים במשך 40 השנים האחרונות", נכתב בשיתוף הפעולה במאמר ב- טבע מתאר את המחקר שלה.

תצפיות ניוטרינו

החוקרים אומרים שהם מצפים למחקרים נוספים של קסם מהותי בניסויים כגון LHCb של CERN ואלה במתאיץ אלקטרונים-יונים (הנבנה כעת במעבדה הלאומית ברוקהייבן בארה"ב). תצפיות בטלסקופי נייטרינו מעוררות עניין גם מכיוון שחלקיקים המכילים קווארקי קסם יכולים להתפרק וליצור נייטרינו באטמוספירה של כדור הארץ. מדידות אלה יכולות לעזור לקבוע את הצורה והגודל של הקסם הפנימי, כמו גם לחקור את ההבדלים בין קווארקי קסם מהותיים לאנטי-קווארקים", לפי חבר הקבוצה. חואן רוג'ו של האוניברסיטה החופשית של אמסטרדם.

גם מומחים אחרים מברכים על נתונים נוספים אך חולקים על חשיבות העבודה האחרונה. סטנלי ברודסקי במעבדת האקסלרטור הלאומית של SLAC בארה"ב אומרים שהתוצאה מספקת ראיות "משכנעות" לקסם מהותי. למרות זאת, רמונה פוגט מהמעבדה הלאומית של לורנס ליברמור, אף היא בארה"ב, מציינת כי המובהקות הסטטיסטית שלה נופלת מזו הדרושה לגילוי בפיזיקה של חלקיקים. "התוצאה הזו היא צעד קדימה אבל זו לא המילה האחרונה", היא אומרת.

וולי מלניצ'וק במתקן האקסלרטור הלאומי של תומס ג'פרסון, שוב בארה"ב, קריטי יותר. רחוק מלהיות סופיות, הוא רואה את העדויות של NNPDF כתלות באופן שבו היא מגדירה את הקסם הפנימי ואת הבחירות שהיא עושה לחישוב המטריד, בטענה שהגדרות מקבוצות אחרות שלא מצאו ראיות תקפות באותה מידה. הוא טוען שאות משכנע הרבה יותר יהיה התבוננות בהבדל בין ה-PDF עם קסם ו-anti-charm שבפרוטון. "הבדל שאינו אפס בין אלה הוא הרבה פחות רגיש לבחירות של סכמות והגדרות תיאורטיות", הוא אומר.