Protonlardaki tılsım kuarkları hakkındaki 40 yıllık tartışma, CERN ve diğer tesislerdeki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'ndan (LHC) alınan verilerin yeni bir makine öğrenimi analiziyle çözülmüş olabilir. Ancak parçacık fiziğinin tamamı bu değerlendirmeye katılmıyor.
Onlarca yıldır fizikçiler, protonların içsel çekicilik kuarkları olarak bilinen kuarkları içerip içermediğini tartışıyorlardı. Güçlü nükleer kuvvet teorisi olan kuantum renk dinamiği (QCD), protonların, gluon adı verilen kuvvet taşıyıcıları tarafından birbirine bağlanan iki yukarı kuark ve bir aşağı kuarktan oluştuğunu söyler. Ancak aynı zamanda nötronlar veya diğer hadronlar gibi protonların da başka kuark-anti kuark çiftleri içerdiğini de öngörüyor.
Elektromanyetik teorinin bize yüklü parçacıklar hızlanırken fotonların yayıldığını söylemesi gibi, protonlar arasındaki yüksek enerjili çarpışmalar sırasında gluonlar hızlandırıldığında bu ek parçacıkların çok sayıda üretildiği bilinmektedir. Ancak daha az açık olan şey, başlangıçta proton ve nötronların içinde hadronların kuantum dalga fonksiyonlarına katkıda bulunan, içsel kuarklar olarak adlandırılan ek kuarkların ne ölçüde olabileceğidir.
Protonlardan daha ağır
Garip kuarkların protonlardan çok daha küçük bir kütleye sahip olduğu göz önüne alındığında, bilim adamları içsel garip kuarkların varlığı konusunda hemfikirdir. Ancak içsel çekicilik kuarklarının varlığı ve olası katkısı konusunda belirsizlik devam ediyor. Bu kuarklar protonlardan daha ağırdır, ancak yalnızca küçük bir miktar kadardır; bu da onların bir protonun kütlesine oldukça küçük ama yine de gözlemlenebilir bir bileşen sağlama olasılığını açık bırakır.
Bazı araştırmacılar tılsım kuarklarının bir protonun momentumunun %0.5'inden fazlasını sağlayamayacağı sonucuna varırken, diğerleri bunun yerine %2'ye kadar bir katkının mümkün olduğunu bulmuşlardır.
Son çalışmada, NNPDF İşbirliği Milan Üniversitesi, Amsterdam Özgür Üniversitesi ve Edinburgh Üniversitesi'nden fizikçilerden oluşan ekip, içsel çekicilik kuarklarının gerçekten var olduğuna dair "kesin kanıtlar" bulduğunu söylüyor. Bunu, daha önce NNPDF4.0 adını verdikleri, parton dağıtım fonksiyonları (PDF'ler) olarak bilinen şeyleri çözmek için kullandığı, LHC'den ve başka yerlerden gelen tonlarca çarpışma verisinden yararlanarak yaptı.
Nokta benzeri parçacıklar
Parton, 1960'larda Richard Feynman tarafından parçacık çarpışmalarını analiz etmek için önerilen, hadron içindeki nokta benzeri parçacıkları tanımlayan genel bir terimdir ve artık bir kuark veya gluona eşdeğerdir. Partonların momentumu, spini ve diğer özellikleri çok büyük bağlanma koşulları altında güçlü kuvvet tarafından belirlendiğinden, bunların değerleri pertürbatif QCD ile mümkün olan yaklaşımlar kullanılarak hesaplanamaz. Ancak hadron çarpışmalarının kinematiğini inceleyerek bir partonun belirli bir ölçekte hadronun momentumunun belirli bir kısmına sahip olma ihtimalini gösteren olasılık dağılımları oluşturmak mümkündür.
Yeni araştırma, bir tılsım kuarkının PDF'sinin, kendisinin ve en hafif üç kuarkın (yukarı, aşağı ve tuhaf) saçılma sürecinde çarpışan bir protona katkıda bulunduğu momentumu dikkate alarak hesaplanmasını içeriyordu. Daha sonra, bu PDF'yi yalnızca en hafif üç kuarktan gelen ışınım bileşenlerinden oluşan bir PDF'ye dönüştürmek için, güçlü etkileşim ifadesinin genişletilmesinde ilk iki veya üç terimi kullanarak güçlü etkileşimlere yaklaşan pertürbatif QCD'yi kullandılar. Belirttikleri gibi, tılsım kuarkının kendi ışınım bileşeninden arındırılmış bu yeni PDF, yalnızca içsel bir çekicilik içerecektir.
Deneysel verileri PDF'lerin şekli ve büyüklüğüyle en iyi şekilde eşleştirmek için sinir ağlarını kullanarak bunu yaparak, içsel çekicilik kuarklarının kesinlikle var olduğu sonucuna vardılar. Her ne kadar içsel çekiciliğin proton momentumunun %1'inden daha azına katkıda bulunduğunu bulmuş olsalar da, bununla ilişkili PDF, teoriden beklenene güçlü bir şekilde benzemektedir - yaklaşık 0.4'lük bir momentum fraksiyonunda bir zirve (içerdiği küçük olasılıklar, entegrasyonun küçük bir toplam sağladığı anlamına gelir) ve yavaş yavaş sona ermektedir. küçük fraksiyonlarda hızlı bir şekilde. Aynı zamanda diğer çarpışma verilerinden, özellikle de LHCb deneyinde Z bozonlarının üretimini içeren son sonuçlardan ve CERN'in Avrupa Muon İşbirliği'nden (EMC) çok daha eski verilerden elde edilen PDF'lerle de yakından eşleşiyor.
NNPDF, yalnızca 4.0 analizinden elde edilen verilerle, içsel çekiciliğin gerçek olmasının istatistiksel anlamlılığının yaklaşık 2.5σ olduğunu, LHCb ve EMC verileri de dahil edilirse anlamlılığın 3σ civarına yükseldiğini hesaplıyor. 5σ veya daha büyük istatistiksel anlamlılık genellikle parçacık fiziğinde bir keşif olarak kabul edilir.
İşbirliği, "Bulgularımız, son 40 yıldır parçacık ve nükleer fizikçiler tarafından hararetle tartışılan nükleon yapısının anlaşılmasında temel bir açık soruyu kapatıyor" diye yazıyor. Tabiat araştırmasını anlatıyor.
Nötrino gözlemleri
Araştırmacılar, CERN'in LHCb'si ve Elektron-İyon Çarpıştırıcısı (şu anda ABD'deki Brookhaven Ulusal Laboratuvarı'nda inşa ediliyor) gibi deneylerde içsel çekiciliğe ilişkin daha fazla araştırma yapılmasını sabırsızlıkla beklediklerini söylüyorlar. Nötrino teleskoplarındaki gözlemler de ilgi çekicidir çünkü tılsımlı kuarklar içeren parçacıklar Dünya atmosferinde nötrinolar oluşturacak şekilde bozunabilir. Grup üyesine göre bu ölçümler, içsel çekiciliğin şeklini ve büyüklüğünü tespit etmenin yanı sıra, içsel çekicilik kuarkları ile antikuarklar arasındaki farklılıkları araştırmaya da yardımcı olabilir." juan rojo Amsterdam Hür Üniversitesi'nden.
Bazı kozmik nötrinolar sonuçta kozmik olmayabilir
Diğer uzmanlar da daha fazla veriyi memnuniyetle karşılıyor ancak son çalışmanın önemi konusunda hemfikir değiller. Stanley Brodsky ABD'deki SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı'ndaki araştırmacılar, sonuçların içsel çekicilik konusunda "ikna edici" kanıtlar sağladığını söylüyor. Fakat, Ramona Vogt Yine ABD'de bulunan Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı'ndan bir araştırmacı, istatistiksel öneminin parçacık fiziğindeki keşifler için gerekli olanın altında olduğuna dikkat çekiyor. "Bu sonuç ileriye doğru atılmış bir adımdır ancak son söz değildir" diyor.
Wally Melnitchouk Yine ABD'deki Thomas Jefferson Ulusal Hızlandırıcı Tesisi'nde ise durum daha kritik. Kesin olmaktan ziyade, NNPDF'nin kanıtlarının içsel çekiciliği nasıl tanımladığına ve tedirgin edici hesaplama için yaptığı seçimlere bağlı olduğunu düşünüyor ve kanıt bulamayan diğer gruplardan gelen tanımların da eşit derecede geçerli olduğunu savunuyor. Protondaki çekicilik ve anti-tılsım PDF'leri arasındaki farkın gözlemlenmesinin çok daha ikna edici bir sinyal olacağını savunuyor. "Bunlar arasında sıfır olmayan bir fark, teorik şema ve tanım seçimlerine çok daha az duyarlıdır" diyor.
