Een 40 jaar oud debat over charm-quarks in protonen is mogelijk beslecht door een nieuwe machine-learning-analyse van gegevens van de Large Hadron Collider (LHC) bij CERN en andere faciliteiten. Niet alle deeltjesfysica zijn het echter eens met deze beoordeling.
Decennia lang hebben natuurkundigen gedebatteerd over de vraag of protonen zogenaamde intrinsieke charme-quarks bevatten. Quantumchromodynamica (QCD), de theorie van de sterke kernkracht, vertelt ons dat protonen bestaan uit twee up-quarks en een down-quark die aan elkaar zijn gebonden door krachtdragers die gluonen worden genoemd. Maar het voorspelt ook dat protonen, zoals neutronen of andere hadronen, een groot aantal andere quark-antiquark-paren bevatten.
Het is bekend dat grote aantallen van deze extra deeltjes worden gegenereerd wanneer gluonen worden versneld tijdens botsingen met hoge energie tussen protonen, net zoals de elektromagnetische theorie ons vertelt dat fotonen worden afgegeven wanneer geladen deeltjes versnellen. Maar wat minder duidelijk is, is de mate waarin er om te beginnen extra quarks in de protonen en neutronen kunnen zijn - zogenaamde intrinsieke quarks die bijdragen aan de kwantumgolffuncties van de hadronen.
Zwaarder dan protonen
Wetenschappers zijn het eens over het bestaan van intrinsieke vreemde quarks, aangezien vreemde quarks een veel kleinere massa hebben dan protonen. Er blijft echter onzekerheid bestaan over het bestaan en de mogelijke bijdrage van intrinsieke charm-quarks. Deze quarks zijn zwaarder dan protonen, maar slechts in een kleine hoeveelheid - waardoor de mogelijkheid open blijft dat ze een vrij kleine maar niettemin waarneembare component vormen voor de massa van een proton.
Terwijl sommige onderzoekers hebben geconcludeerd dat charm-quarks niet meer dan 0.5% van het momentum van een proton kunnen leveren, hebben anderen in plaats daarvan ontdekt dat een bijdrage tot 2% mogelijk is.
In het laatste werk, de NNPDF-samenwerking – bestaande uit natuurkundigen van de Universiteit van Milaan, de Vrije Universiteit van Amsterdam en de Universiteit van Edinburgh – zegt “ondubbelzinnig bewijs” te hebben gevonden dat intrinsieke charm-quarks inderdaad bestaan. Het heeft dit gedaan door te putten uit stapels botsingsgegevens van de LHC en elders die het eerder gebruikte om zogenaamde parton-distributiefuncties (pdf's) uit te werken, die ze NNPDF4.0 noemen.
Puntachtige deeltjes
Parton is een generieke term om puntachtige deeltjes in een hadron te beschrijven, voorgesteld door Richard Feynman in de jaren zestig om deeltjesbotsingen te analyseren en is nu gelijk aan een quark of gluon. Omdat het momentum, de spin en andere eigenschappen van partons worden bepaald door de sterke kracht onder omstandigheden van zeer grote koppeling, kunnen hun waarden niet worden berekend met behulp van de benaderingen die mogelijk zijn met perturbatieve QCD. Door de kinematica van hadronbotsingen te bestuderen, is het echter mogelijk kansverdelingen op te bouwen die de kans laten zien dat een parton een bepaalde fractie van het momentum van een hadron op een bepaalde schaal zal hebben.
Het nieuwe onderzoek omvatte het berekenen van de pdf van een charm-quark door rekening te houden met het momentum dat het en de drie lichtste quarks - omhoog, omlaag en vreemd - bijdragen aan een botsend proton in het verstrooiingsproces. Vervolgens gebruikten ze perturbatieve QCD - waarbij sterke interacties worden benaderd door de eerste twee of drie termen te gebruiken in een uitbreiding van de sterke koppelingsuitdrukking - om deze PDF om te zetten in een PDF die bestaat uit stralingscomponenten van alleen de lichtste drie quarks. Zoals ze aangeven, zou deze nieuwe pdf, ontdaan van de eigen stralingscomponent van de charm-quark, alleen intrinsieke charme bevatten.
Door dit te doen met behulp van neurale netwerken om experimentele gegevens zo goed mogelijk af te stemmen op de vorm en omvang van PDF's, concluderen ze dat intrinsieke charm-quarks zeker bestaan. Hoewel ze erachter komen dat intrinsieke charme minder dan 1% bijdraagt aan het protonenmomentum, lijkt de bijbehorende PDF sterk op de theorie die wordt verwacht - een piek bij een momentumfractie van ongeveer 0.4 (de kleine waarschijnlijkheden die ermee gepaard gaan, betekenen dat integratie een klein totaal oplevert) terwijl ze afnemen snel in kleine fracties. Het komt ook nauw overeen met de PDF's die zijn uitgewerkt op basis van andere botsingsgegevens - met name recente resultaten met betrekking tot de productie van Z-bosonen bij het LHCb-experiment en veel eerdere gegevens van CERN's European Muon Collaboration (EMC).
NNPDF berekent dat alleen al met de gegevens van zijn 4.0-analyse de statistische significantie van intrinsieke charme die echt is ongeveer 2.5σ is, terwijl de significantie stijgt tot ongeveer 3σ als de LHCb- en EMC-gegevens ook worden meegerekend. Een statistische significantie van 5σ of meer wordt gewoonlijk beschouwd als een ontdekking in de deeltjesfysica.
"Onze bevindingen sluiten een fundamentele open vraag af in het begrip van de nucleonstructuur waarover de afgelopen 40 jaar fel is gedebatteerd door deeltjes- en kernfysici", schrijft de samenwerking in een paper in NATUUR beschrijving van zijn onderzoek.
Neutrino waarnemingen
De onderzoekers zeggen dat ze uitkijken naar verdere studies van intrinsieke charme bij experimenten zoals CERN's LHCb en die bij de Electron-Ion Collider (momenteel gebouwd in het Brookhaven National Laboratory in de VS). Waarnemingen met neutrino-telescopen zijn ook interessant omdat deeltjes die charm-quarks bevatten, kunnen vervallen om neutrino's in de atmosfeer van de aarde te genereren. Deze metingen kunnen helpen om de vorm en grootte van intrinsieke charme vast te stellen, en om eventuele verschillen tussen quarks en antiquarks met intrinsieke charme te onderzoeken, "aldus groepslid Juan Rojo van de Vrije Universiteit Amsterdam.
Sommige kosmische neutrino's zijn misschien toch niet kosmisch
Andere experts verwelkomen ook meer gegevens, maar zijn het niet eens over het belang van het nieuwste werk. Stanley Brodski bij het SLAC National Accelerator Laboratory in de VS zegt dat het resultaat "overtuigend" bewijs levert voor intrinsieke charme. Echter, Ramona Vogt van het Lawrence Livermore National Laboratory, ook in de VS, wijst erop dat de statistische significantie ervan achterblijft bij wat nodig is voor ontdekkingen in de deeltjesfysica. "Dit resultaat is een stap voorwaarts, maar het is niet het laatste woord", zegt ze.
Wally Melnitchouk bij de Thomas Jefferson National Accelerator Facility, opnieuw in de VS, is kritischer. Verre van definitief te zijn, beschouwt hij het bewijs van NNPDF als afhankelijk van hoe het intrinsieke charme definieert en de keuzes die het maakt voor de verstorende berekening, met het argument dat definities van andere groepen die geen bewijs hebben gevonden even geldig zijn. Hij beweert dat een veel overtuigender signaal de waarneming zou zijn van een verschil tussen de charm- en anti-charm-pdf's in het proton. "Een niet-nul verschil tussen deze is veel minder vatbaar voor keuzes van theoretische schema's en definities", zegt hij.
