양성자의 매력 쿼크에 대한 40년 된 논쟁은 CERN 및 기타 시설의 LHC(Large Hadron Collider) 데이터에 대한 새로운 기계 학습 분석으로 해결되었을 수 있습니다. 그러나 모든 입자 물리학이 이 평가에 동의하는 것은 아닙니다.
수십 년 동안 물리학자들은 양성자에 내재적 매력 쿼크로 알려진 것이 포함되어 있는지에 대해 토론해 왔습니다. 강력한 핵력 이론인 양자 색역학(Quantum chromodynamics, QCD)은 양성자가 글루온이라고 하는 힘 운반체에 의해 결합된 두 개의 업 쿼크와 하나의 다운 쿼크로 구성되어 있다고 알려줍니다. 그러나 그것은 또한 중성자나 다른 하드론과 같은 양성자에는 다른 쿼크-반 쿼크 쌍이 많이 포함되어 있다고 예측합니다.
전자기 이론에서 하전 입자가 가속될 때 광자가 방출된다고 말하는 것처럼 양성자 사이의 고에너지 충돌 중에 글루온이 가속될 때 많은 수의 이러한 추가 입자가 생성되는 것으로 알려져 있습니다. 그러나 명확하지 않은 것은 양성자와 중성자 내에 추가 쿼크가 있을 수 있는 정도입니다. 소위 하드론의 양자 파동 함수에 기여하는 고유 쿼크입니다.
양성자보다 무겁다
과학자들은 이상한 쿼크가 양성자보다 훨씬 작은 질량을 가지고 있다는 점을 감안할 때 본질적인 이상한 쿼크의 존재에 동의합니다. 그러나 고유 참 쿼크의 존재와 기여 가능성에 대해서는 여전히 불확실성이 있습니다. 이 쿼크는 양성자보다 무겁지만 그 양이 적기 때문에 상당히 작지만 그럼에도 불구하고 양성자 질량에 관찰 가능한 구성 요소를 제공할 가능성이 있습니다.
일부 연구자들은 참 쿼크가 양성자 운동량의 0.5% 이상을 제공할 수 없다고 결론을 내렸지만 다른 연구자들은 최대 2%의 기여가 가능하다는 것을 발견했습니다.
최근작에서는 NNPDF 협업 밀라노 대학, 암스테르담 자유 대학, 에든버러 대학의 물리학자들로 구성된 - 고유의 매력 쿼크가 실제로 존재한다는 "명확한 증거"를 발견했다고 밝혔습니다. NNPDF4.0이라고 하는 파톤 분포 함수(PDF)로 알려진 것을 해결하는 데 이전에 사용했던 LHC 및 다른 곳의 충돌 데이터를 사용하여 그렇게 했습니다.
점과 같은 입자
파튼은 입자 충돌을 분석하기 위해 1960년대에 Richard Feynman이 제안한 하드론 내의 점과 같은 입자를 설명하는 일반적인 용어이며 현재는 쿼크 또는 글루온과 동일합니다. 파톤의 모멘텀, 스핀 및 기타 속성은 매우 큰 결합 조건에서 강한 힘에 의해 결정되기 때문에 섭동 QCD로 가능한 근사치를 사용하여 해당 값을 계산할 수 없습니다. 그러나 하드론 충돌의 운동학을 연구함으로써 파톤이 특정 규모에서 하드론 운동량의 특정 부분을 가질 가능성을 보여주는 확률 분포를 구축하는 것이 가능합니다.
새로운 연구는 참 쿼크와 XNUMX개의 가장 가벼운 쿼크(위, 아래 및 기묘)가 산란 과정에서 충돌하는 양성자에 기여하는 운동량을 고려하여 매력 쿼크의 PDF를 계산하는 것과 관련이 있습니다. 그런 다음 그들은 섭동 QCD(강한 결합 표현의 확장에서 처음 두 개 또는 세 개의 항을 사용하여 강한 상호 작용을 근사화)를 사용하여 이 PDF를 가장 가벼운 세 개의 쿼크에서만 나오는 복사 구성 요소로 구성된 하나로 변환했습니다. 그들이 지적했듯이 참 쿼크의 고유한 방사 구성 요소가 제거된 이 새로운 PDF는 본질적인 매력만 포함할 것입니다.
실험 데이터를 PDF의 모양 및 크기와 가장 잘 일치시키기 위해 신경망을 사용하여 고유한 매력 쿼크가 확실히 존재한다는 결론을 내립니다. 그들은 본질적인 매력이 양성자 모멘텀의 1% 미만에 기여한다는 것을 알아냈지만, 관련 PDF는 이론에서 예상한 것과 매우 유사합니다. 약 0.4의 모멘텀 분율에서 피크(통합을 의미하는 작은 확률은 작은 합계를 산출함)가 점차 줄어듭니다. 작은 부분에서 빠르게. 또한 다른 충돌 데이터, 특히 LHCb 실험에서 Z 보손 생산과 관련된 최근 결과와 CERN의 유럽 뮤온 협력(EMC)의 훨씬 이전 데이터에서 나온 PDF와 거의 일치합니다.
NNPDF는 4.0 분석 데이터만으로 본질적인 매력의 통계적 유의성이 약 2.5σ인 반면 LHCb 및 EMC 데이터가 포함되면 유의성은 약 3σ로 상승한다고 계산합니다. 5σ 이상의 통계적 유의성은 일반적으로 입자 물리학의 발견으로 간주됩니다.
"우리의 발견은 지난 40년 동안 입자 및 핵 물리학자들에 의해 열띤 토론을 벌여온 핵 구조 이해에 대한 근본적인 열린 질문을 마감했습니다." 자연 연구를 설명합니다.
중성미자 관측
연구원들은 CERN의 LHCb 및 전자-이온 충돌기(현재 미국 브룩헤이븐 국립 연구소에서 건설 중임)와 같은 실험에서 고유한 매력에 대한 추가 연구가 기대된다고 말했습니다. 참 쿼크를 포함하는 입자가 지구 대기에서 중성미자를 생성하기 위해 붕괴할 수 있기 때문에 중성미자 망원경에서의 관찰도 흥미롭습니다. 이러한 측정은 본질적인 참 쿼크와 반쿼크 사이의 차이점을 조사할 뿐만 아니라 본질적인 매력의 모양과 크기를 파악하는 데 도움이 될 수 있습니다.”라고 그룹 구성원에 따르면 후안 로조 암스테르담 자유대학교의
일부 우주 중성미자는 결국 우주가 아닐 수 있습니다
다른 전문가들도 추가 데이터를 환영하지만 최신 작업의 중요성에 대해서는 동의하지 않습니다. 스탠리 브로드스키 미국의 SLAC 국립 가속기 연구소(SLAC National Accelerator Laboratory)는 그 결과가 본질적인 매력에 대한 "설득력 있는" 증거를 제공한다고 말합니다. 하지만, 라모나 포크트 역시 미국에 있는 로렌스 리버모어 국립 연구소(Lawrence Livermore National Laboratory)의 통계적 유의성은 입자 물리학의 발견에 필요한 수준에 미치지 못한다고 지적합니다. "이 결과는 한 걸음 앞으로 나아간 것이지만 최종 결과는 아닙니다."라고 그녀는 말합니다.
월리 멜니추크 다시 미국의 Thomas Jefferson National Accelerator Facility에서 더 중요합니다. 결정적이기는커녕, 그는 NNPDF의 증거가 본질적인 매력을 어떻게 정의하는지, 그리고 증거를 찾지 못한 다른 그룹의 정의도 동등하게 유효하다고 주장하면서 섭동 계산을 위해 선택하는 방식에 따라 달라진다고 생각합니다. 그는 훨씬 더 설득력 있는 신호는 양성자에서 매력 PDF와 반대 매력 PDF 사이의 차이를 관찰하는 것이라고 주장합니다. "이들 사이의 XNUMX이 아닌 차이는 이론적 계획과 정의의 선택에 훨씬 덜 영향을 받습니다."라고 그는 말합니다.
