40-летний спор об очарованных кварках в протонах, возможно, был разрешен новым анализом машинного обучения данных с Большого адронного коллайдера (БАК) в ЦЕРНе и других учреждениях. Однако не все физики элементарных частиц согласны с этой оценкой.
На протяжении десятилетий физики спорили о том, содержат ли протоны то, что известно как кварки внутреннего очарования. Квантовая хромодинамика (КХД), теория сильного ядерного взаимодействия, говорит нам, что протоны состоят из двух верхних кварков и нижнего кварка, связанных вместе переносчиками взаимодействия, называемыми глюонами. Но она также предсказывает, что протоны, как и нейтроны или любые другие адроны, содержат множество других пар кварк-антикварк.
Известно, что большое количество этих дополнительных частиц генерируется, когда глюоны ускоряются во время высокоэнергетических столкновений между протонами, точно так же, как электромагнитная теория говорит нам, что фотоны испускаются при ускорении заряженных частиц. Но что менее ясно, так это то, в какой степени внутри протонов и нейтронов могут быть дополнительные кварки — так называемые собственные кварки, вносящие вклад в квантовые волновые функции адронов.
Тяжелее протонов
Ученые согласны с существованием внутренних странных кварков, учитывая, что масса странных кварков намного меньше массы протонов. Однако по-прежнему сохраняется неопределенность в отношении существования и возможного вклада внутренних очарованных кварков. Эти кварки тяжелее протонов, но только на небольшую величину, что оставляет открытой возможность того, что они обеспечивают довольно маленькую, но тем не менее наблюдаемую составляющую массы протона.
В то время как некоторые исследователи пришли к выводу, что очарованные кварки могут обеспечить не более 0.5% импульса протона, другие вместо этого обнаружили, что возможен вклад до 2%.
В последней работе, Сотрудничество NNPDF — составленный физиками из Миланского университета, Свободного университета Амстердама и Эдинбургского университета — говорит, что нашел «недвусмысленные доказательства» того, что кварки с внутренним очарованием действительно существуют. Он сделал это, опираясь на множество данных о столкновениях с БАК и других источников, которые он ранее использовал для разработки так называемых функций распределения партонов (PDF), которые они называют NNPDF4.0.
Точечные частицы
Партон — это общий термин для описания точечных частиц внутри адрона, предложенный Ричардом Фейнманом в 1960-х годах для анализа столкновений частиц и теперь эквивалентный кварку или глюону. Поскольку импульс, спин и другие свойства партонов определяются сильным взаимодействием в условиях очень большой связи, их значения не могут быть рассчитаны с использованием приближений, возможных в пертурбативной КХД. Однако, изучая кинематику столкновений адронов, можно построить распределения вероятностей, показывающие вероятность того, что партон будет иметь определенную долю импульса адрона в определенном масштабе.
Новое исследование включало вычисление PDF очарованного кварка с учетом импульса, который он и три самых легких кварка — верхний, нижний и странный — вносят в сталкивающийся протон в процессе рассеяния. Затем они использовали пертурбативную КХД — аппроксимируя сильные взаимодействия, используя либо первые два, либо три члена в расширении выражения сильной связи — чтобы преобразовать эту PDF в одну, состоящую из излучающих компонентов только трех самых легких кварков. Как они отмечают, лишенная собственного излучательного компонента очарованного кварка, эта новая PDF будет содержать только внутреннее очарование.
Делая это с помощью нейронных сетей, чтобы лучше всего сопоставить экспериментальные данные с формой и величиной PDF, они пришли к выводу, что внутреннее очарование кварков определенно существует. Хотя они выяснили, что внутреннее обаяние вносит менее 1% импульса протона, связанная с ним PDF сильно напоминает ожидаемую из теории — пик при доле импульса около 0.4 (вовлеченные крошечные вероятности означают, что интегрирование дает небольшую сумму) при снижении. быстро на мелкие фракции. Он также близко соответствует PDF, полученным на основе других данных о столкновениях, в частности, недавних результатов, связанных с образованием Z-бозонов в эксперименте LHCb, и гораздо более ранних данных Европейского мюонного сотрудничества (EMC) ЦЕРН.
NNPDF подсчитал, что только по данным анализа 4.0 статистическая значимость реального внутреннего обаяния составляет около 2.5 σ, в то время как значимость возрастает примерно до 3 σ, если также включены данные LHCb и EMC. Статистическая значимость 5σ или выше обычно считается открытием в физике элементарных частиц.
«Наши результаты закрывают фундаментальный открытый вопрос в понимании структуры нуклонов, который горячо обсуждался физиками-ядерщиками и физиками элементарных частиц в течение последних 40 лет», — пишет коллаборация в статье в природа описание своего исследования.
Нейтринные наблюдения
Исследователи говорят, что с нетерпением ждут дальнейших исследований внутреннего обаяния в таких экспериментах, как LHCb в ЦЕРН и на электронно-ионном коллайдере (в настоящее время строящемся в Брукхейвенской национальной лаборатории в США). Наблюдения в нейтринных телескопах представляют интерес еще и потому, что частицы, содержащие очарованные кварки, могут распадаться с образованием нейтрино в атмосфере Земли. Эти измерения могут помочь определить форму и величину внутреннего очарования, а также исследовать любые различия между внутренним очарованием кварков и антикварков», — сказал член группы. Хуан Рохо из Свободного университета Амстердама.
Некоторые космические нейтрино могут быть не космическими
Другие эксперты также приветствуют дополнительные данные, но не согласны с важностью последней работы. Стэнли Бродский в Национальной ускорительной лаборатории SLAC в США говорят, что результат является «убедительным» доказательством внутреннего обаяния. Однако, Рамона Фогт из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса, также в США, указывает, что его статистическая значимость ниже той, которая необходима для открытия в физике элементарных частиц. «Этот результат — шаг вперед, но это не последнее слово», — говорит она.
Уолли Мельничук в Национальном ускорительном комплексе Томаса Джефферсона, опять же в США, является более важным. Далекие от того, чтобы быть окончательными, он считает, что данные NNPDF зависят от того, как они определяют внутреннее обаяние и выбор, который он делает для пертурбативных вычислений, утверждая, что определения других групп, которые не нашли доказательств, в равной степени действительны. Он утверждает, что гораздо более убедительным сигналом было бы наблюдение разницы между очарованием и анти-очарованием PDF в протоне. «Ненулевая разница между ними гораздо менее восприимчива к выбору теоретических схем и определений», — говорит он.
