การถกเถียงกันมานาน 40 ปีเกี่ยวกับชาร์มควาร์กในโปรตอนอาจได้รับการตัดสินโดยการวิเคราะห์การเรียนรู้ด้วยเครื่องแบบใหม่ของข้อมูลจาก Large Hadron Collider (LHC) ที่ CERN และสถานที่อื่นๆ อย่างไรก็ตาม ไม่ใช่ว่าฟิสิกส์ของอนุภาคทั้งหมดจะเห็นด้วยกับการประเมินนี้
เป็นเวลาหลายทศวรรษที่นักฟิสิกส์ถกเถียงกันว่าโปรตอนมีสิ่งที่เรียกว่าชาร์มควาร์กอยู่ภายในหรือไม่ Quantum chromodynamics (QCD) ซึ่งเป็นทฤษฎีของแรงนิวเคลียร์อย่างเข้ม บอกเราว่าโปรตอนประกอบด้วยอัพควาร์ก XNUMX ตัวและดาวน์ควาร์ก XNUMX ตัวที่ยึดเหนี่ยวกันด้วยตัวพาแรงที่เรียกว่ากลูออน แต่มันยังทำนายว่าโปรตอน เช่น นิวตรอนหรือฮาดรอนอื่นๆ มีโฮสต์ของคู่ควาร์ก-แอนตี้ควาร์กอื่นๆ
เป็นที่ทราบกันดีว่าอนุภาคเพิ่มเติมเหล่านี้จำนวนมากถูกสร้างขึ้นเมื่อกลูออนถูกเร่งระหว่างการชนกันของพลังงานสูงระหว่างโปรตอน เช่นเดียวกับที่ทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าบอกเราว่าโฟตอนจะถูกปลดปล่อยเมื่ออนุภาคมีประจุเร่งความเร็ว แต่สิ่งที่ไม่ชัดเจนคือขอบเขตที่อาจมีควาร์กเพิ่มเติมภายในโปรตอนและนิวตรอน ซึ่งเรียกว่าควาร์กภายในที่มีส่วนทำให้เกิดฟังก์ชันคลื่นควอนตัมของแฮดรอน
หนักกว่าโปรตอน
นักวิทยาศาสตร์เห็นด้วยกับการมีอยู่ของควาร์กประหลาดภายใน เนื่องจากควาร์กประหลาดมีมวลน้อยกว่าโปรตอนมาก อย่างไรก็ตาม ยังคงมีความไม่แน่นอนเกี่ยวกับการมีอยู่และการมีส่วนร่วมที่เป็นไปได้ของชาร์มควาร์กที่แท้จริง ควาร์กเหล่านี้หนักกว่าโปรตอน แต่เพียงเล็กน้อยเท่านั้น ทำให้มีความเป็นไปได้ที่พวกมันจะให้ส่วนประกอบที่ค่อนข้างเล็กแต่สามารถสังเกตได้กับมวลของโปรตอน
ในขณะที่นักวิจัยบางคนสรุปว่าชาร์มควาร์กสามารถให้โมเมนตัมของโปรตอนได้ไม่เกิน 0.5% คนอื่นๆ กลับพบว่าสามารถมีส่วนร่วมได้ถึง 2%
ในผลงานล่าสุด The การทำงานร่วมกันของ NNPDF – ประกอบด้วยนักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยมิลาน มหาวิทยาลัยอิสระแห่งอัมสเตอร์ดัม และมหาวิทยาลัยเอดินบะระ – กล่าวว่าได้พบ “หลักฐานที่ชัดเจน” ว่าสเน่ห์ควาร์กที่มีอยู่จริงนั้นมีอยู่จริง ทำได้โดยการดึงรีมข้อมูลการชนกันจาก LHC และที่อื่น ๆ ที่ก่อนหน้านี้ใช้เพื่อหาสิ่งที่เรียกว่าฟังก์ชันการกระจาย parton (PDF) ซึ่งเรียกว่า NNPDF4.0
อนุภาคคล้ายจุด
Parton เป็นคำทั่วไปที่ใช้อธิบายอนุภาคที่มีลักษณะคล้ายจุดภายในแฮดรอน ซึ่งเสนอโดย Richard Feynman ในทศวรรษที่ 1960 เพื่อวิเคราะห์การชนกันของอนุภาค และปัจจุบันเทียบเท่ากับควาร์กหรือกลูออน เนื่องจากโมเมนตัม สปิน และคุณสมบัติอื่นๆ ของพาร์ตอนถูกกำหนดโดยแรงภายใต้เงื่อนไขของคัปปลิ้งขนาดใหญ่มาก ค่าของโมเมนตัมเหล่านี้จึงไม่สามารถคำนวณได้โดยใช้ค่าประมาณที่เป็นไปได้ด้วย QCD ที่ก่อกวน อย่างไรก็ตาม จากการศึกษาจลนพลศาสตร์ของการชนกันของแฮดรอน มันเป็นไปได้ที่จะสร้างการแจกแจงความน่าจะเป็นซึ่งแสดงโอกาสที่พาร์ตอนจะมีโมเมนตัมของแฮดรอนบางส่วนในระดับหนึ่งๆ
งานวิจัยใหม่เกี่ยวข้องกับการคำนวณ PDF ของชาร์มควาร์กโดยพิจารณาโมเมนตัมที่มันและควาร์กที่เบาที่สุดสามตัว – ขึ้น ลง และแปลก – มีส่วนในการชนกันของโปรตอนในกระบวนการกระเจิง จากนั้น พวกเขาใช้ QCD ที่ก่อให้เกิดความปั่นป่วน ซึ่งเป็นการประมาณอันตรกิริยาที่รุนแรงโดยใช้คำศัพท์สองหรือสามคำแรกในการขยายการแสดงออกของการมีเพศสัมพันธ์ที่รุนแรง เพื่อแปลง PDF นี้เป็นไฟล์ที่ประกอบด้วยองค์ประกอบการแผ่รังสีจากควาร์กสามตัวที่เบาที่สุดเท่านั้น ตามที่พวกเขาชี้ให้เห็น การถอดองค์ประกอบการแผ่รังสีของชาร์มควาร์กออก PDF ใหม่นี้จะประกอบด้วยเสน่ห์ที่แท้จริงเท่านั้น
การทำเช่นนี้โดยใช้เครือข่ายนิวรัลเพื่อจับคู่ข้อมูลการทดลองกับรูปร่างและขนาดของไฟล์ PDF ได้ดีที่สุด พวกเขาสรุปได้ว่าชาร์มควาร์กที่แท้จริงนั้นมีอยู่จริง แม้ว่าพวกเขาจะพบว่าเสน่ห์ที่แท้จริงนั้นมีส่วนน้อยกว่า 1% ของโมเมนตัมของโปรตอน แต่ PDF ที่เกี่ยวข้องนั้นมีความคล้ายคลึงกับที่คาดหวังจากทฤษฎีอย่างมาก นั่นคือค่าสูงสุดที่เศษส่วนของโมเมนตัมประมาณ 0.4 (ความน่าจะเป็นเล็กน้อยที่เกี่ยวข้องกับความหมายการรวมทำให้ได้ผลลัพธ์รวมเพียงเล็กน้อย) ในขณะที่ตัดออก อย่างรวดเร็วในเศษส่วนขนาดเล็ก นอกจากนี้ยังใกล้เคียงกับไฟล์ PDF ที่ได้จากข้อมูลการชนกันอื่นๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ผลลัพธ์ล่าสุดที่เกี่ยวข้องกับการผลิต Z bosons ในการทดลอง LHCb และข้อมูลก่อนหน้านี้มากจาก European Muon Collaboration (EMC) ของ CERN
NNPDF คำนวณว่าด้วยข้อมูลจากการวิเคราะห์ 4.0 เพียงอย่างเดียว นัยสำคัญทางสถิติของมนต์เสน่ห์ที่แท้จริงคือประมาณ 2.5 σ ในขณะที่ความสำคัญเพิ่มขึ้นเป็นประมาณ 3 σ หากรวมข้อมูล LHCb และ EMC ไว้ด้วย นัยสำคัญทางสถิติที่ 5σ หรือมากกว่ามักจะถูกพิจารณาว่าเป็นการค้นพบในฟิสิกส์ของอนุภาค
"การค้นพบของเราปิดคำถามเปิดพื้นฐานในการทำความเข้าใจเกี่ยวกับโครงสร้างนิวคลีออนซึ่งได้รับการถกเถียงอย่างถึงพริกถึงขิงโดยนักฟิสิกส์อนุภาคและนิวเคลียร์ในช่วง 40 ปีที่ผ่านมา" ความร่วมมือดังกล่าวเขียนในบทความใน ธรรมชาติ อธิบายการวิจัย
การสังเกตการณ์นิวตริโน
นักวิจัยกล่าวว่าพวกเขาตั้งตารอที่จะศึกษาเพิ่มเติมเกี่ยวกับเสน่ห์ที่แท้จริงในการทดลองต่างๆ เช่น LHCb ของ CERN และการทดลองที่ Electron-Ion Collider (ปัจจุบันถูกสร้างขึ้นที่ Brookhaven National Laboratory ในสหรัฐอเมริกา) การสังเกตการณ์ด้วยกล้องโทรทรรศน์นิวตริโนก็น่าสนใจเช่นกัน เนื่องจากอนุภาคที่มีชาร์มควาร์กสามารถสลายตัวเพื่อสร้างนิวตริโนในชั้นบรรยากาศของโลก การวัดเหล่านี้สามารถช่วยในการระบุรูปร่างและขนาดของเสน่ห์ที่แท้จริง รวมทั้งตรวจสอบความแตกต่างใดๆ ระหว่างชาร์มควาร์กและแอนติควาร์ก” สมาชิกกลุ่มกล่าว ฮวน โรโฮ ของมหาวิทยาลัยอิสระแห่งอัมสเตอร์ดัม
นิวตริโนคอสมิกบางตัวอาจไม่ใช่จักรวาลอีกต่อไป
ผู้เชี่ยวชาญคนอื่นๆ ก็ยินดีให้ข้อมูลเพิ่มเติมเช่นกัน แต่ไม่เห็นด้วยกับความสำคัญของงานล่าสุด สแตนลีย์ บรอดสกี้ ที่ SLAC National Accelerator Laboratory ในสหรัฐอเมริกากล่าวว่าผลลัพธ์ที่ได้ให้หลักฐานที่ "น่าเชื่อถือ" สำหรับเสน่ห์ที่แท้จริง อย่างไรก็ตาม, ราโมนา โวกต์ แห่งห้องปฏิบัติการแห่งชาติลอว์เรนซ์ ลิเวอร์มอร์ ในสหรัฐอเมริกาเช่นกัน ชี้ให้เห็นว่านัยสำคัญทางสถิตินั้นต่ำกว่าที่จำเป็นสำหรับการค้นพบในฟิสิกส์ของอนุภาค "ผลลัพธ์นี้เป็นก้าวไปข้างหน้า แต่ก็ไม่ใช่คำสุดท้าย" เธอกล่าว
วอลลี่ เมลนิชชุก ที่โรงงานเร่งความเร็วแห่งชาติของโธมัส เจฟเฟอร์สัน อีกครั้งในสหรัฐอเมริกา มีความสำคัญมากกว่า ห่างไกลจากความชัดเจน เขาถือว่าหลักฐานของ NNPDF นั้นขึ้นอยู่กับวิธีการกำหนดเสน่ห์ที่แท้จริงและตัวเลือกสำหรับการคำนวณที่สร้างความปั่นป่วน โดยอ้างว่าคำจำกัดความจากกลุ่มอื่นที่ไม่พบหลักฐานนั้นถูกต้องเท่าเทียมกัน เขายืนยันว่าสัญญาณที่น่าสนใจกว่ามากคือการสังเกตความแตกต่างระหว่าง PDF ของชาร์มและแอนตี้ชาร์มในโปรตอน "ความแตกต่างที่ไม่เป็นศูนย์ระหว่างสิ่งเหล่านี้มีความอ่อนไหวต่อการเลือกโครงร่างและคำจำกัดความทางทฤษฎีน้อยกว่ามาก" เขากล่าว
