En 40 år gammel debatt om sjarmkvarker i protoner kan ha blitt avgjort av en ny maskinlæringsanalyse av data fra Large Hadron Collider (LHC) ved CERN og andre anlegg. Imidlertid er ikke all partikkelfysikk enig i denne vurderingen.
I flere tiår har fysikere diskutert om protoner inneholder det som er kjent som indre sjarmkvarker. Kvantekromodynamikk (QCD), teorien om den sterke kjernekraften, forteller oss at protoner består av to opp-kvarker og en ned-kvark bundet sammen av kraftbærere kalt gluoner. Men den forutsier også at protoner, som nøytroner eller andre hadroner, inneholder en rekke andre kvark-anti-kvark-par.
Et stort antall av disse ekstra partiklene er kjent for å genereres når gluoner akselereres under høyenergikollisjoner mellom protoner, akkurat som elektromagnetisk teori forteller oss at fotoner avgis når ladede partikler akselererer. Men det som er mindre klart er i hvilken grad det kan være ytterligere kvarker i protonene og nøytronene til å begynne med - såkalte indre kvarker som bidrar til hadronenes kvantebølgefunksjoner.
Tyngre enn protoner
Forskere er enige om eksistensen av iboende merkelige kvarker, gitt at merkelige kvarker har en langt mindre masse enn protoner. Imidlertid fortsetter det å være usikkerhet om eksistensen og mulige bidrag til indre sjarmkvarker. Disse kvarkene er tyngre enn protoner, men bare i en liten mengde - noe som åpner for muligheten for at de gir en ganske liten, men likevel observerbar komponent til et protons masse.
Mens noen forskere har konkludert med at sjarmkvarker ikke kan gi mer enn 0.5 % av et protons momentum, har andre i stedet funnet ut at et bidrag på opptil 2 % er mulig.
I det siste arbeidet, den NNPDF Samarbeid – sammensatt av fysikere fra Universitetet i Milano, Free University of Amsterdam og University of Edinburgh – sier at det har funnet «utvetydige bevis» på at det faktisk eksisterer sjarm-kvarker. Den har gjort det ved å trekke på mengder kollisjonsdata fra LHC og andre steder som den tidligere brukte for å finne ut det som er kjent som parton distribusjonsfunksjoner (PDF), som de kaller NNPDF4.0.
Punktlignende partikler
Parton er et generisk begrep for å beskrive punktlignende partikler i en hadron, foreslått av Richard Feynman på 1960-tallet for å analysere partikkelkollisjoner og tilsvarer nå en kvark eller gluon. Fordi momentum, spinn og andre egenskaper til partoner bestemmes av den sterke kraften under forhold med veldig stor kobling, kan ikke verdiene deres beregnes ved å bruke tilnærmingene som er mulig med forstyrrende QCD. Ved å studere kinematikken til hadronkollisjoner er det imidlertid mulig å bygge opp sannsynlighetsfordelinger som viser oddsen for at en parton vil ha en viss brøkdel av en hadrons momentum i en bestemt skala.
Den nye forskningen innebar å beregne en sjarmkvarks PDF ved å vurdere momentumet som den og de tre letteste kvarkene – opp, ned og merkelige – bidrar til et kolliderende proton i spredningsprosessen. De brukte deretter forstyrrende QCD - tilnærmet sterke interaksjoner ved å bruke enten de to første eller tre begrepene i en utvidelse av det sterke koblingsuttrykket - for å konvertere denne PDF-filen til en som består av strålingskomponenter fra bare de letteste tre kvarkene. Som de påpeker, ville denne nye PDF-filen bare bestå av iboende sjarm uten sjarmkvarkens egen strålingskomponent.
Ved å gjøre det ved å bruke nevrale nettverk for å best matche eksperimentelle data med formen og størrelsen på PDF-er, konkluderer de med at iboende sjarmkvarker definitivt eksisterer. Selv om de finner ut at den indre sjarmen bidrar med mindre enn 1 % av protonmomentumet, ligner den tilhørende PDF-filen sterkt på det som forventes fra teorien – en topp ved en momentumbrøkdel på rundt 0.4 (de bittesmå sannsynlighetene som er involvert betyr at integrering gir en liten totalsum) mens den avtar raskt i små fraksjoner. Den samsvarer også tett med PDF-ene som er utarbeidet fra andre kollisjonsdata – nærmere bestemt nylige resultater som involverer produksjon av Z-bosoner ved LHCb-eksperimentet og mye tidligere data fra CERNs European Muon Collaboration (EMC).
NNPDF beregner at med dataene fra 4.0-analysen alene er den statistiske signifikansen av at indre sjarm er reell omtrent 2.5σ, mens signifikansen stiger til rundt 3σ hvis LHCb- og EMC-dataene også er inkludert. En statistisk signifikans på 5σ eller større anses vanligvis for å være en oppdagelse innen partikkelfysikk.
"Våre funn lukker et grunnleggende åpent spørsmål i forståelsen av nukleonstruktur som har vært heftig diskutert av partikkel- og kjernefysikere de siste 40 årene," skriver samarbeidet i en artikkel i Natur som beskriver sin forskning.
Nøytrino observasjoner
Forskerne sier at de ser frem til videre studier av iboende sjarm ved eksperimenter som CERNs LHCb og de ved Electron-Ion Collider (som for tiden bygges ved Brookhaven National Laboratory i USA). Observasjoner ved nøytrinoteleskoper er også av interesse fordi partikler som inneholder sjarmkvarker kan forfalle og generere nøytrinoer i jordens atmosfære. Disse målingene kan bidra til å finne ut formen og størrelsen på den indre sjarmen, i tillegg til å undersøke eventuelle forskjeller mellom kvarker og antikvarker, ifølge gruppemedlem. Juan Rojo ved Free University of Amsterdam.
Noen kosmiske nøytrinoer er kanskje ikke kosmiske likevel
Også andre eksperter ønsker ytterligere data velkommen, men er uenige om viktigheten av det siste arbeidet. Stanley Brodsky ved SLAC National Accelerator Laboratory i USA sier resultatet gir "overbevisende" bevis for egen sjarm. Derimot, Ramona Vogt fra Lawrence Livermore National Laboratory, også i USA, påpeker at dens statistiske signifikans er kortere enn det som er nødvendig for oppdagelse i partikkelfysikk. "Dette resultatet er et skritt fremover, men det er ikke det siste ordet," sier hun.
Wally Melnitchouk ved Thomas Jefferson National Accelerator Facility, igjen i USA, er mer kritisk. Langt fra å være definitive, anser han NNPDFs bevis som avhengig av hvordan det definerer indre sjarm og valgene det tar for den forstyrrende beregningen, og argumenterer for at definisjoner fra andre grupper som ikke har funnet bevis er like gyldige. Han hevder at et mye mer overbevisende signal ville være observasjonen av en forskjell mellom sjarmen og anti-sjarm PDF-ene i protonet. "En ikke-null forskjell mellom disse er mye mindre mottakelig for valg av teoretiske skjemaer og definisjoner," sier han.
