Trwająca 40 lat debata na temat kwarków powabnych w protonach mogła zostać rozstrzygnięta dzięki nowej analizie danych z Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC) w CERN i innych obiektach opartej na uczeniu maszynowym. Jednak nie wszystkie fizyki cząstek zgadzają się z tą oceną.
Przez dziesięciolecia fizycy debatowali, czy protony zawierają tak zwane wewnętrzne kwarki powabne. Chromodynamika kwantowa (QCD), teoria silnych oddziaływań jądrowych, mówi nam, że protony składają się z dwóch kwarków górnych i kwarka dolnego, połączonych ze sobą nośnikami siły zwanymi gluonami. Przewiduje również, że protony, takie jak neutrony i inne hadrony, zawierają wiele innych par kwark-antykwark.
Wiadomo, że duża liczba tych dodatkowych cząstek jest generowana, gdy gluony są przyspieszane podczas wysokoenergetycznych zderzeń między protonami, podobnie jak teoria elektromagnetyczna mówi nam, że fotony są emitowane, gdy przyspieszają naładowane cząstki. Mniej jasne jest jednak to, w jakim stopniu w protonach i neutronach mogą znajdować się dodatkowe kwarki – tak zwane kwarki wewnętrzne, które przyczyniają się do kwantowych funkcji falowych hadronów.
Cięższe niż protony
Naukowcy zgadzają się co do istnienia wewnętrznych kwarków dziwnych, biorąc pod uwagę, że dziwne kwarki mają znacznie mniejszą masę niż protony. Jednak nadal istnieje niepewność co do istnienia i możliwego wkładu wewnętrznych kwarków powabnych. Kwarki te są cięższe od protonów, ale tylko w niewielkiej ilości – pozostawiając otwartą możliwość, że dostarczają dość małego, ale mimo to obserwowalnego składnika masy protonu.
Podczas gdy niektórzy badacze doszli do wniosku, że kwarki powabne mogą dostarczyć nie więcej niż 0.5% pędu protonu, inni zamiast tego odkryli, że możliwy jest wkład do 2%.
W najnowszej pracy Współpraca NNPDF – składający się z fizyków z Uniwersytetu w Mediolanie, Wolnego Uniwersytetu w Amsterdamie i Uniwersytetu w Edynburgu – twierdzi, że znalazł „jednoznaczny dowód”, że samoistne kwarki powabne rzeczywiście istnieją. Dokonał tego, czerpiąc z ryz danych o kolizjach z LHC i innych miejsc, które wcześniej wykorzystywały do opracowania tak zwanych funkcji dystrybucji partonów (PDF), które nazywają NNPDF4.0.
Cząstki punktowe
Parton to ogólny termin opisujący cząstki punktowe wewnątrz hadronu, zaproponowany przez Richarda Feynmana w latach 1960. do analizy zderzeń cząstek, a obecnie jest odpowiednikiem kwarka lub gluonu. Ponieważ pęd, spin i inne właściwości partonów są determinowane przez silne siły w warunkach bardzo dużego sprzężenia, ich wartości nie można obliczyć przy użyciu przybliżeń możliwych przy perturbacyjnym QCD. Jednak badając kinematykę zderzeń hadronów, można zbudować rozkłady prawdopodobieństwa pokazujące prawdopodobieństwo, że parton będzie miał pewien ułamek pędu hadronu w określonej skali.
Nowe badania obejmowały obliczenie PDF kwarka powabnego poprzez rozważenie pędu, w którym on i trzy najlżejsze kwarki – górny, dolny i dziwny – przyczyniają się do zderzenia protonu w procesie rozpraszania. Następnie użyli perturbacyjnej QCD – przybliżając oddziaływania silne za pomocą pierwszych dwóch lub trzech terminów w rozwinięciu wyrażenia silnego sprzężenia – aby przekonwertować ten plik PDF na jeden składający się ze składników radiacyjnych tylko z trzech najlżejszych kwarków. Jak podkreślają, pozbawiony radiacyjnego składnika kwarka powabnego, ten nowy plik PDF zawierałby jedynie wrodzony urok.
Wykorzystując sieci neuronowe, aby jak najlepiej dopasować dane eksperymentalne do kształtu i wielkości plików PDF, doszli do wniosku, że wewnętrzne kwarki powabne zdecydowanie istnieją. Chociaż doszli do wniosku, że wewnętrzny urok odpowiada za mniej niż 1% pędu protonu, powiązany z nim plik PDF bardzo przypomina oczekiwany z teorii – szczyt przy ułamku pędu wynoszący około 0.4 (małe prawdopodobieństwa związane z integracją dają niewielką sumę) przy jednoczesnym oddalaniu się. szybko w małych frakcjach. Jest również ściśle dopasowany do plików PDF opracowanych na podstawie innych danych dotyczących kolizji – w szczególności ostatnich wyników dotyczących produkcji bozonów Z w eksperymencie LHCb oraz znacznie wcześniejszych danych z Europejskiej Współpracy Muonów (EMC) CERN.
NNPDF oblicza, że na podstawie danych z samej analizy 4.0 istotność statystyczna rzeczywistego uroku wewnętrznego wynosi około 2.5σ, podczas gdy istotność wzrasta do około 3σ, jeśli uwzględni się również dane LHCb i EMC. Statystyczna istotność 5σ lub większa jest zwykle uważana za odkrycie w fizyce cząstek elementarnych.
„Nasze odkrycia zamykają fundamentalną otwartą kwestię w zrozumieniu struktury nukleonu, która była przedmiotem gorącej debaty przez fizyków cząstek i fizyków jądrowych przez ostatnie 40 lat” – czytamy w artykule opublikowanym przez współpracowników. Natura opisując swoje badania.
Obserwacje neutrin
Naukowcy twierdzą, że nie mogą się doczekać dalszych badań wewnętrznego uroku w eksperymentach, takich jak LHCb w CERN oraz w zderzaczu elektronowo-jonowym (obecnie budowanym w Brookhaven National Laboratory w USA). Obserwacje za pomocą teleskopów neutrinowych są również interesujące, ponieważ cząstki zawierające kwarki powabne mogą się rozpadać, generując neutrina w ziemskiej atmosferze. Te pomiary mogą pomóc określić kształt i wielkość wewnętrznego uroku, a także zbadać wszelkie różnice między wewnętrznymi kwarkami powabnymi a antykwarkami ”, według członka grupy Juana Rojo Wolnego Uniwersytetu w Amsterdamie.
Niektóre neutrina kosmiczne mogą jednak nie być kosmiczne
Inni eksperci również z zadowoleniem przyjmują dalsze dane, ale nie zgadzają się co do znaczenia najnowszych prac. Stanley Brodski w Narodowym Laboratorium Akceleratora SLAC w USA mówi, że wynik dostarcza „przekonującego” dowodu na wewnętrzny urok. Jednakże, Ramona Vogt z Lawrence Livermore National Laboratory, również w USA, wskazuje, że jego istotność statystyczna nie jest wystarczająca do odkrycia w fizyce cząstek elementarnych. „Ten wynik to krok naprzód, ale nie jest to ostatnie słowo” – mówi.
Wally'ego Melnitchouka w Thomas Jefferson National Accelerator Facility, ponownie w USA, jest bardziej krytyczna. Daleki od bycia ostatecznym, uważa, że dowody NNPDF są zależne od tego, jak definiuje wewnętrzny urok i wyborów, jakich dokonuje w perturbacyjnych obliczeniach, argumentując, że definicje z innych grup, które nie znalazły dowodów, są równie ważne. Utrzymuje, że o wiele bardziej przekonującym sygnałem byłaby obserwacja różnicy między plikami PDF z urokiem i antyurokiem w protonie. „Niezerowa różnica między nimi jest znacznie mniej podatna na wybór schematów teoretycznych i definicji”, mówi.
