陽子には固有のチャームクォークが含まれていることを機械学習分析が示唆

陽子のチャーム クォークに関する 40 年にわたる議論は、CERN やその他の施設の大型ハドロン衝突型加速器 (LHC) からのデータの新しい機械学習分析によって解決された可能性があります。 ただし、すべての素粒子物理学がこの評価に同意するわけではありません。

何十年もの間、物理学者は、陽子が本質的なチャーム クォークとして知られているものを含むかどうかについて議論してきました。 強い核力の理論である量子色力学 (QCD) は、陽子がグルオンと呼ばれる力のキャリアによって結合された XNUMX つのアップ クォークと XNUMX つのダウン クォークで構成されていることを示しています。 しかし、中性子やその他のハドロンと同様に、陽子には他の多くのクォークと反クォークのペアが含まれていることも予測しています。

陽子間の高エネルギー衝突中にグルオンが加速されると、これらの追加の粒子が多数生成されることが知られています。これは、荷電粒子が加速すると光子が放出されることを電磁気学の理論が示しているようにです。 しかし、ハドロンの量子波動関数に寄与する固有クォークと呼ばれる、陽子と中性子内に最初から追加のクォークが存在する可能性がある程度はあまり明確ではありません。

陽子より重い

科学者たちは、ストレンジ クォークの質量が陽子よりもはるかに小さいことを考えると、固有のストレンジ クォークの存在に同意しています。 ただし、固有のチャーム クォークの存在とその寄与の可能性については、引き続き不確実性があります。 これらのクォークは陽子よりも重いが、その量はわずかであり、陽子の質量に対してかなり小さいが観測可能な成分を提供する可能性が残されている。

一部の研究者は、チャーム クォークは陽子の運動量の 0.5% しか提供できないと結論付けていますが、別の研究者は最大 2% の寄与が可能であることを発見しました。

最新作では、 NNPDF コラボレーション ミラノ大学、アムステルダム自由大学、エディンバラ大学の物理学者で構成された研究チームは、固有のチャーム クォークが実際に存在するという「明白な証拠」を発見したと述べています。 それは、LHC や他の場所からの大量の衝突データを利用することによって実現しました。以前は、NNPDF4.0 と呼ばれるパートン分布関数 (PDF) として知られているものを解決するために使用していました。

点状粒子

パートンは、1960 年代にリチャード ファインマンが粒子の衝突を分析するために提案した、ハドロン内の点のような粒子を表す一般的な用語であり、現在はクォークまたはグルオンに相当します。 パートンの運動量、スピン、およびその他の特性は、結合が非常に大きい条件下では強い力によって決定されるため、摂動 QCD で可能な近似を使用してそれらの値を計算することはできません。 しかし、ハドロン衝突の運動学を研究することにより、パートンが特定のスケールでハドロンの運動量の特定の割合を持つ確率を示す確率分布を構築することが可能です。

新しい研究では、チャーム クォークと XNUMX つの最も軽いクォーク (アップ、ダウン、ストレンジ) が散乱過程で陽子の衝突に寄与する運動量を考慮して、チャーム クォークの PDF を計算しました。 次に、摂動 QCD (強い結合式の拡張で最初の XNUMX つまたは XNUMX つの項のいずれかを使用して強い相互作用を近似する) を使用して、この PDF を最も軽い XNUMX つのクォークのみからの放射成分からなるものに変換しました。 彼らが指摘するように、チャーム クォーク自身の放射成分を取り除くと、この新しい PDF は固有のチャームのみで構成されます。

ニューラル ネットワークを使用して実験データと PDF の形状と大きさを最適に一致させることで、固有のチャーム クォークが確実に存在すると結論付けました。 彼らは、固有の魅力が陽子の運動量の 1% 未満に寄与することを解決していますが、それに関連する PDF は、理論から予想されるものと非常によく似ています。つまり、約 0.4 の運動量の割合でピークを迎えます (小さな確率は、統合が小さな合計をもたらすことを意味します)。少量ずつ急速に。 また、他の衝突データから得られた PDF とも密接に一致しています。具体的には、LHCb 実験での Z ボソンの生成に関する最近の結果と、CERN の欧州ミュオン コラボレーション (EMC) からのはるかに初期のデータです。

NNPDF は、その 4.0 分析のデータだけで、本質的な魅力が本物であることの統計的有意性は約 2.5σ であると計算していますが、LHCb および EMC データも含まれている場合、有意性は約 3σ に上昇します。 5σ以上の統計的有意性は、通常、素粒子物理学の発見と見なされます。

「私たちの調査結果は、過去 40 年間素粒子物理学者と原子核物理学者によって熱く議論されてきた、核子構造の理解における根本的な未解決の問題に終止符を打ちます」と共同研究は論文に書いています。 自然 その研究について説明しています。

ニュートリノ観測

研究者たちは、CERN の LHCb や電子イオン衝突型加速器 (現在、米国のブルックヘブン国立研究所で建設中) などの実験で、固有の魅力をさらに研究することを楽しみにしていると述べています。 チャーム クォークを含む粒子は地球の大気中で崩壊してニュートリノを生成する可能性があるため、ニュートリノ望遠鏡での観測も興味深いものです。 これらの測定は、固有のチャームの形状と大きさを特定するのに役立つだけでなく、固有のチャームクォークと反クォークの違いを調べるのにも役立ちます。」 フアン・ロホ アムステルダム自由大学の。

他の専門家もさらなるデータを歓迎しますが、最新の研究の重要性については同意しません. スタンリー・ブロツキー 米国の SLAC 国立加速器研究所では、この結果が本質的な魅力の「説得力のある」証拠を提供すると述べています。 でも、 ラモーナ・フォークト 同じく米国のローレンス・リバモア国立研究所の博士は、その統計的有意性は素粒子物理学の発見に必要なレベルに達していないと指摘しています。 「この結果は一歩前進ですが、これが最終決定ではありません」と彼女は言います。

ウォーリー・メルニチューク 再び米国にあるトーマス・ジェファーソン国立加速器施設では、より重要です。 彼は決定的なものではなく、NNPDF の証拠を、固有の魅力をどのように定義するか、および摂動計算のために行う選択に依存していると見なし、証拠を発見していない他のグループからの定義も同様に有効であると主張します。 彼は、はるかに説得力のあるシグナルは、陽子のチャーム PDF とアンチチャーム PDF の違いの観察であると主張しています。 「これらの間のゼロではない差は、理論的なスキームと定義の選択の影響をはるかに受けにくくなります」と彼は言います。