40 let staro razpravo o šarm kvarkih v protonih je morda rešila nova analiza podatkov s strojnim učenjem iz velikega hadronskega trkalnika (LHC) v CERN-u in drugih objektih. Vendar pa se vsi fiziki delcev ne strinjajo s to oceno.
Desetletja so fiziki razpravljali o tem, ali protoni vsebujejo tisto, kar je znano kot intrinzični šarm kvarki. Kvantna kromodinamika (QCD), teorija močne jedrske sile, nam pove, da so protoni sestavljeni iz dveh zgornjih kvarkov in spodnjega kvarka, ki sta povezana z nosilci sile, imenovanimi gluoni. Napoveduje pa tudi, da protoni, tako kot nevtroni ali kateri koli drug hadron, vsebujejo množico drugih parov kvark-anti kvark.
Znano je, da veliko število teh dodatnih delcev nastane, ko se gluoni pospešijo med visokoenergijskimi trki med protoni, tako kot nam elektromagnetna teorija pravi, da se fotoni oddajajo, ko se nabiti delci pospešujejo. Manj jasno pa je, v kolikšni meri bi lahko na začetku obstajali dodatni kvarki znotraj protonov in nevtronov – tako imenovani intrinzični kvarki, ki prispevajo k kvantnim valovnih funkcijam hadronov.
Težji od protonov
Znanstveniki se strinjajo o obstoju intrinzičnih čudnih kvarkov, saj imajo čudni kvarki veliko manjšo maso kot protoni. Vendar pa še vedno obstaja negotovost glede obstoja in možnega prispevka intrinzičnih šarm kvarkov. Ti kvarki so težji od protonov, vendar le za majhno količino – puščajo odprto možnost, da zagotavljajo dokaj majhno, a kljub temu opazno komponento mase protona.
Medtem ko so nekateri raziskovalci ugotovili, da šarm kvarki ne morejo zagotoviti več kot 0.5 % zagona protona, so drugi ugotovili, da je možen prispevek do 2 %.
V zadnjem delu, Sodelovanje NNPDF – ki ga sestavljajo fiziki z Univerze v Milanu, Svobodne univerze v Amsterdamu in Univerze v Edinburghu – pravi, da je našel "nedvoumne dokaze", da intrinzični šarm kvarki res obstajajo. To je storil tako, da je črpal iz množice podatkov o trkih iz LHC in drugod, ki jih je prej uporabil za izdelavo tako imenovanih partonskih porazdelitvenih funkcij (PDF), ki jih imenujejo NNPDF4.0.
Točkasti delci
Parton je splošen izraz za opis točkastih delcev v hadronu, ki ga je predlagal Richard Feynman v šestdesetih letih prejšnjega stoletja za analizo trkov delcev in je zdaj enakovreden kvarku ali gluonu. Ker gibalno količino, vrtenje in druge lastnosti partonov določa močna sila v pogojih zelo velike sklopitve, njihovih vrednosti ni mogoče izračunati z uporabo približkov, ki so možni s perturbativno QCD. Vendar pa je s preučevanjem kinematike hadronskih trkov mogoče zgraditi verjetnostne porazdelitve, ki kažejo verjetnost, da bo imel parton določen del hadronovega momenta na določeni lestvici.
Nova raziskava je vključevala izračun PDF očarljivega kvarka z upoštevanjem zagona, ki ga kvark in trije najlažji kvarki – up, down in strange – prispevajo k trčenju protona v procesu sipanja. Nato so uporabili perturbativno QCD – približevanje močnih interakcij z uporabo prvih dveh ali treh členov v razširitvi izraza močne sklopitve – za pretvorbo te PDF v tisto, ki jo sestavljajo sevalne komponente samo najlažjih treh kvarkov. Kot poudarjajo, bi brez lastne sevalne komponente očarljivega kvarka ta novi PDF vseboval le intrinzični čar.
S pomočjo nevronskih mrež za najboljše ujemanje eksperimentalnih podatkov z obliko in velikostjo PDF-jev so ugotovili, da intrinzični šarm kvarki vsekakor obstajajo. Čeprav ugotovijo, da intrinzični čar prispeva manj kot 1 % protonskega zagona, je z njim povezana PDF močna verjetnost, da je zelo podobna tistemu, ki se pričakuje iz teorije – vrh pri deležu zagona okoli 0.4 (majhne vključene verjetnosti pomenijo, da integracija prinese majhno vsoto), medtem ko se zmanjšuje. hitro v majhnih frakcijah. Prav tako se zelo ujema s PDF-ji, izdelanimi iz drugih podatkov o trčenju – zlasti nedavnih rezultatov, ki vključujejo proizvodnjo bozonov Z pri poskusu LHCb, in veliko prejšnjih podatkov iz CERN-ovega Evropskega sodelovanja z muoni (EMC).
NNPDF izračuna, da je samo s podatki iz njegove analize 4.0 statistična pomembnost resničnega intrinzičnega šarma približno 2.5σ, medtem ko se pomembnost dvigne na približno 3σ, če so vključeni tudi podatki LHCb in EMC. Statistična značilnost 5σ ali več se običajno šteje za odkritje v fiziki delcev.
"Naše ugotovitve zapirajo temeljno odprto vprašanje v razumevanju nukleonske strukture, o katerem so v zadnjih 40 letih vroče razpravljali fiziki delcev in jedrski fiziki," piše sodelovanje v članku v Narava opisuje svoje raziskave.
Opazovanja nevtrinov
Raziskovalci pravijo, da se veselijo nadaljnjih študij intrinzičnega šarma pri poskusih, kot sta CERN-ov LHCb in tisti v trkalniku elektronov in ionov (trenutno se gradi v nacionalnem laboratoriju Brookhaven v ZDA). Opazovanja na nevtrinskih teleskopih so prav tako zanimiva, ker lahko delci, ki vsebujejo šarm kvarke, razpadejo in ustvarijo nevtrine v Zemljini atmosferi. Te meritve lahko pomagajo določiti obliko in velikost intrinzičnega šarma, pa tudi raziskati morebitne razlike med intrinzičnim šarm kvarki in antikvarki,« pravi član skupine. Juan Rojo Svobodne univerze v Amsterdamu.
Nekateri kozmični nevtrini morda kljub vsemu niso vesoljski
Tudi drugi strokovnjaki pozdravljajo nadaljnje podatke, vendar se ne strinjajo s pomenom najnovejšega dela. Stanley Brodsky v SLAC National Accelerator Laboratory v ZDA pravi, da rezultati zagotavljajo "prepričljive" dokaze o intrinzičnem šarmu. vendar Ramona Vogt iz Nacionalnega laboratorija Lawrence Livermore, prav tako v ZDA, poudarja, da je njegova statistična pomembnost manjša od tiste, ki je potrebna za odkritje v fiziki delcev. »Ta rezultat je korak naprej, vendar ni zadnja beseda,« pravi.
Wally Melnitchouk v Thomas Jefferson National Accelerator Facility, spet v ZDA, je bolj kritičen. Daleč od tega, da bi bili dokončni, meni, da so dokazi NNPDF odvisni od tega, kako definira intrinzični čar in izbire, ki jih naredi za perturbativni izračun, in trdi, da so definicije drugih skupin, ki niso našle dokazov, enako veljavne. Trdi, da bi bil veliko bolj prepričljiv signal opazovanje razlike med PDF-ji šarm in anti-čar v protonu. "Razlika, ki ni ničelna, je veliko manj dovzetna za izbiro teoretičnih shem in definicij," pravi.
