En 40 år gammal debatt om charmkvarkar i protoner kan ha avgjorts av en ny maskininlärningsanalys av data från Large Hadron Collider (LHC) vid CERN och andra anläggningar. Men inte all partikelfysik håller med om denna bedömning.
I decennier har fysiker diskuterat om protoner innehåller så kallade intrinsic charm-kvarkar. Quantum chromodynamik (QCD), teorin om den starka kärnkraften, berättar att protoner består av två upp-kvarkar och en ned-kvark bundna tillsammans av kraftbärare som kallas gluoner. Men den förutspår också att protoner, liksom neutroner eller andra hadroner, innehåller en mängd andra kvark-antikvarkpar.
Ett stort antal av dessa ytterligare partiklar är kända för att genereras när gluoner accelereras under högenergikollisioner mellan protoner, precis som elektromagnetisk teori säger oss att fotoner avges när laddade partiklar accelererar. Men vad som är mindre tydligt är i vilken utsträckning det kan finnas ytterligare kvarkar inom protonerna och neutronerna till att börja med – så kallade inre kvarkar som bidrar till hadronernas kvantvågfunktioner.
Tyngre än protoner
Forskare är överens om förekomsten av inneboende konstiga kvarkar, med tanke på att konstiga kvarkar har en mycket mindre massa än protoner. Det fortsätter dock att finnas osäkerhet om existensen och det möjliga bidraget av inre charmkvarkar. Dessa kvarkar är tyngre än protoner, men bara en liten mängd – vilket gör att möjligheten är öppen att de ger en ganska liten men ändå observerbar komponent till en protons massa.
Medan vissa forskare har kommit fram till att charmkvarkar inte kan ge mer än 0.5 % av en protons rörelsemängd, har andra istället funnit att ett bidrag på upp till 2 % är möjligt.
I det senaste arbetet, den NNPDF Samarbete – som består av fysiker från University of Milano, Free University of Amsterdam och University of Edinburgh – säger att de har hittat "otvetydiga bevis" för att inre charmkvarkar verkligen existerar. Det har gjort det genom att dra på mängder av kollisionsdata från LHC och andra ställen som den tidigare använde för att räkna ut vad som kallas för partondistributionsfunktioner (PDF), som de kallar NNPDF4.0.
Punktliknande partiklar
Parton är en generisk term för att beskriva punktliknande partiklar i en hadron, föreslog av Richard Feynman på 1960-talet för att analysera partikelkollisioner och är nu likvärdig med en kvark eller gluon. Eftersom momentum, spinn och andra egenskaper hos partoner bestäms av den starka kraften under förhållanden med mycket stor koppling, kan deras värden inte beräknas med hjälp av de approximationer som är möjliga med störande QCD. Men genom att studera kinematiken för hadronkollisioner är det möjligt att bygga upp sannolikhetsfördelningar som visar oddsen för att en parton kommer att ha en viss bråkdel av en hadrons rörelsemängd i en viss skala.
Den nya forskningen innebar att man beräknade en charmkvarks PDF genom att ta hänsyn till det momentum som den och de tre lättaste kvarkarna – upp, ner och konstiga – bidrar till en kolliderande proton i spridningsprocessen. De använde sedan störande QCD – approximerade starka interaktioner genom att använda antingen de första två eller tre termerna i en expansion av det starka kopplingsuttrycket – för att konvertera denna PDF till en som består av strålningskomponenter från endast de lättaste tre kvarkarna. Som de påpekar, berövad charmkvarkens egen strålningskomponent skulle denna nya PDF bara innehålla inneboende charm.
Genom att använda neurala nätverk för att bäst matcha experimentella data med formen och storleken på PDF-filer drar de slutsatsen att inneboende charmkvarkar definitivt existerar. Även om de räknar ut att den inneboende charmen bidrar med mindre än 1 % av protonmomentumet, liknar dess tillhörande PDF starkt det som förväntas från teorin – en topp vid en momentumfraktion på cirka 0.4 (de små sannolikheter som är involverade betyder att integration ger en liten summa) samtidigt som den avtar snabbt i små fraktioner. Det överensstämmer också nära med PDF-filerna som utarbetats från andra kollisionsdata – särskilt nyligen genomförda resultat som involverar produktion av Z-bosoner vid LHCb-experimentet och mycket tidigare data från CERN:s European Muon Collaboration (EMC).
NNPDF beräknar att endast med data från dess 4.0-analys är den statistiska signifikansen av att inre charm är verklig cirka 2.5σ, medan signifikansen stiger till cirka 3σ om LHCb- och EMC-data också ingår. En statistisk signifikans på 5σ eller större anses vanligtvis vara en upptäckt inom partikelfysik.
"Våra fynd stänger en grundläggande öppen fråga i förståelsen av nukleonstruktur som har diskuterats hett av partikel- och kärnfysiker under de senaste 40 åren", skriver samarbetet i en tidning i Natur beskriver sin forskning.
Neutrino observationer
Forskarna säger att de ser fram emot ytterligare studier av inneboende charm vid experiment som CERN:s LHCb och de vid Electron-Ion Collider (som för närvarande byggs vid Brookhaven National Laboratory i USA). Observationer vid neutrinoteleskop är också av intresse eftersom partiklar som innehåller charmkvarkar kan sönderfalla och generera neutriner i jordens atmosfär. Dessa mätningar kan hjälpa till att fastställa formen och storleken på den inneboende charmen, samt undersöka eventuella skillnader mellan kvarkar och antikvarkar, enligt gruppmedlemmen. Juan Rojo vid Fria universitetet i Amsterdam.
Vissa kosmiska neutriner är kanske inte kosmiska trots allt
Även andra experter välkomnar ytterligare data men håller inte med om vikten av det senaste arbetet. Stanley Brodsky vid SLAC National Accelerator Laboratory i USA säger resultatet ger "övertygande" bevis för inneboende charm. I alla fall, Ramona Vogt från Lawrence Livermore National Laboratory, också i USA, påpekar att dess statistiska signifikans inte motsvarar den som behövs för upptäckt inom partikelfysik. "Det här resultatet är ett steg framåt men det är inte sista ordet", säger hon.
Wally Melnitchouk vid Thomas Jefferson National Accelerator Facility, återigen i USA, är mer kritisk. Långt ifrån att vara definitiva, betraktar han NNPDF:s bevis som beroende av hur den definierar inneboende charm och de val den gör för den störande beräkningen, med argumentet att definitioner från andra grupper som inte har hittat bevis är lika giltiga. Han hävdar att en mycket mer övertygande signal skulle vara observationen av en skillnad mellan charm och anti-charm PDF-filer i protonen. "En skillnad som inte är noll mellan dessa är mycket mindre mottaglig för val av teoretiska scheman och definitioner," säger han.
