O dezbatere veche de 40 de ani despre quarkurile de farmec din protoni ar fi putut fi rezolvată printr-o nouă analiză de învățare automată a datelor de la Large Hadron Collider (LHC) de la CERN și alte facilități. Cu toate acestea, nu toată fizica particulelor este de acord cu această evaluare.
Timp de zeci de ani, fizicienii au dezbătut dacă protonii conțin ceea ce sunt cunoscuți sub denumirea de quarci cu farmec intrinsec. Cromodinamica cuantică (QCD), teoria forței nucleare puternice, ne spune că protonii constau din doi quarci up și un quark down legați împreună de purtători de forță numiți gluoni. Dar, de asemenea, prezice că protonii, precum neutronii sau orice alt hadron, conțin o mulțime de alte perechi quark-anti quark.
Se știe că un număr mare de aceste particule suplimentare sunt generate atunci când gluonii sunt accelerați în timpul coliziunilor de mare energie între protoni, așa cum teoria electromagnetică ne spune că fotonii sunt eliberați atunci când particulele încărcate accelerează. Dar ceea ce este mai puțin clar este măsura în care ar putea exista cuarci suplimentari în protoni și neutroni pentru început - așa-numiții quarci intrinseci care contribuie la funcțiile de undă cuantice ale hadronilor.
Mai greu decât protonii
Oamenii de știință sunt de acord asupra existenței cuarcilor ciudați intrinseci, având în vedere că quarcii ciudați au o masă mult mai mică decât protonii. Cu toate acestea, continuă să existe incertitudine cu privire la existența și posibila contribuție a quarcilor cu farmec intrinsec. Acești quarci sunt mai grei decât protonii, dar doar cu o cantitate mică - lăsând deschisă posibilitatea ca ei să ofere o componentă destul de mică, dar totuși observabilă, masei unui proton.
În timp ce unii cercetători au ajuns la concluzia că quarkurile de farmec pot oferi nu mai mult de 0.5% din impulsul unui proton, alții au descoperit în schimb că este posibilă o contribuție de până la 2%.
În cea mai recentă lucrare, Colaborare NNPDF – format din fizicieni de la Universitatea din Milano, Universitatea Liberă din Amsterdam și Universitatea din Edinburgh – spune că a găsit „dovezi fără ambiguitate” că quarkurile cu farmec intrinsec există într-adevăr. A făcut acest lucru folosindu-se de multe date de coliziune de la LHC și din alte părți pe care le folosea anterior pentru a elabora ceea ce sunt cunoscute sub numele de funcții de distribuție a partonilor (PDF), pe care le numesc NNPDF4.0.
Particule punctiforme
Parton este un termen generic pentru a descrie particulele punctiforme dintr-un hadron, propus de Richard Feynman în anii 1960 pentru a analiza ciocnirile de particule și este acum echivalent cu un quarc sau gluon. Deoarece impulsul, spinul și alte proprietăți ale partonilor sunt determinate de forța puternică în condiții de cuplare foarte mare, valorile lor nu pot fi calculate folosind aproximațiile posibile cu QCD perturbativ. Cu toate acestea, studiind cinematica ciocnirilor de hadron este posibil să se construiască distribuții de probabilitate care să arate șansele ca un parton să aibă o anumită fracțiune din impulsul unui hadron la o anumită scară.
Noua cercetare a implicat calcularea PDF-ului unui quark farmec luând în considerare impulsul pe care acesta și cei mai ușori trei quarci – sus, jos și ciudat – contribuie la ciocnirea unui proton în procesul de împrăștiere. Apoi au folosit QCD perturbativ - aproximând interacțiunile puternice folosind fie primii doi sau trei termeni într-o extindere a expresiei de cuplare puternică - pentru a converti acest PDF într-unul format din componente radiative din cei mai ușori trei quarci. După cum subliniază ei, dezbrăcat de componenta radiativă proprie a quarcului farmec, acest nou PDF ar cuprinde doar farmec intrinsec.
Făcând acest lucru folosind rețele neuronale pentru a potrivi cel mai bine datele experimentale cu forma și magnitudinea PDF-urilor, ei ajung la concluzia că quarkurile cu farmec intrinsec există cu siguranță. Deși au descoperit că farmecul intrinsec contribuie cu mai puțin de 1% din impulsul protonilor, PDF-ul său asociat seamănă foarte mult cu cel așteptat din teorie – un vârf la o fracțiune de impuls de aproximativ 0.4 (probabilitățile mici implicate înseamnă că integrarea produce un total mic) în timp ce se reduce rapid la fracții mici. De asemenea, se potrivește îndeaproape cu PDF-urile elaborate din alte date de coliziune - în special, rezultate recente care implică producerea de bosoni Z la experimentul LHCb și date mult mai vechi de la Colaborarea europeană pentru muoni (EMC) a CERN.
NNPDF calculează că numai cu datele din analiza sa 4.0, semnificația statistică a farmecului intrinsec este de aproximativ 2.5σ, în timp ce semnificația crește la aproximativ 3σ dacă sunt incluse și datele LHCb și EMC. O semnificație statistică de 5σ sau mai mare este de obicei considerată a fi o descoperire în fizica particulelor.
„Descoperirile noastre închid o întrebare fundamentală deschisă în înțelegerea structurii nucleonilor, care a fost aprig dezbătută de către fizicienii particulelor și nucleare în ultimii 40 de ani”, scrie colaborarea într-o lucrare în Natură descriind cercetarea sa.
Observații cu neutrini
Cercetătorii spun că așteaptă cu nerăbdare studii suplimentare despre farmecul intrinsec la experimente precum LHCb al CERN și cele de la Electron-Ion Collider (în prezent fiind construit la Brookhaven National Laboratory din SUA). Observațiile la telescoapele cu neutrini sunt, de asemenea, de interes, deoarece particulele care conțin quarci farmec se pot degrada pentru a genera neutrini în atmosfera Pământului. Aceste măsurători pot ajuta la stabilirea formei și mărimii farmecului intrinsec, precum și la sondarea oricăror diferențe între quarcii și antiquarci cu farmecul intrinsec”, potrivit membrului grupului. Juan Rojo de la Universitatea Liberă din Amsterdam.
Unii neutrini cosmici ar putea să nu fie cosmici până la urmă
Alți experți salută și alte date suplimentare, dar nu sunt de acord cu privire la importanța ultimelor lucrări. Stanley Brodsky la Laboratorul Național de Accelerator SLAC din SUA spune că rezultatul oferă dovezi „convingătoare” pentru farmecul intrinsec. In orice caz, Ramona Vogt de la Lawrence Livermore National Laboratory, tot din SUA, subliniază că semnificația sa statistică este sub cea necesară pentru descoperirea în fizica particulelor. „Acest rezultat este un pas înainte, dar nu este ultimul cuvânt”, spune ea.
Wally Melnitchouk la Thomas Jefferson National Accelerator Facility, din nou în SUA, este mai critică. Departe de a fi definitive, el consideră dovezile NNPDF ca fiind contingente de modul în care definesc farmecul intrinsec și de alegerile pe care le face pentru calculul perturbator, argumentând că definițiile din alte grupuri care nu au găsit dovezi sunt la fel de valabile. El susține că un semnal mult mai convingător ar fi observarea unei diferențe între PDF-urile farmec și anti-charm din proton. „O diferență diferită de zero între acestea este mult mai puțin susceptibilă la alegerea schemelor și definițiilor teoretice”, spune el.
