40-річна дискусія про чарівні кварки в протонах, можливо, була вирішена завдяки новому аналізу машинним навчанням даних з Великого адронного колайдера (LHC) у CERN та інших установах. Однак не всі фізики елементарних частинок згодні з цією оцінкою.
Десятиліттями фізики обговорювали, чи містять протони те, що називають внутрішніми чарівними кварками. Квантова хромодинаміка (КХД), теорія сильної ядерної сили, говорить нам, що протони складаються з двох верхніх кварків і нижнього кварка, пов’язаних між собою носіями сили, званими глюонами. Але він також передбачає, що протони, як нейтрони чи будь-який інший адрон, містять безліч інших пар кварк-антикварк.
Відомо, що велика кількість цих додаткових частинок утворюється, коли глюони прискорюються під час високоенергетичних зіткнень між протонами, так само, як електромагнітна теорія говорить нам, що фотони виділяються, коли заряджені частинки прискорюються. Але менш ясним є те, до якої міри можуть існувати додаткові кварки всередині протонів і нейтронів – так звані власні кварки, які роблять внесок у квантові хвильові функції адронів.
Важчий за протони
Вчені погоджуються з існуванням власних дивних кварків, враховуючи, що дивні кварки мають набагато меншу масу, ніж протони. Проте існує невизначеність щодо існування та можливого внеску внутрішніх чарівних кварків. Ці кварки важчі за протони, але лише на невелику кількість – залишаючи відкритою можливість того, що вони створюють досить малий, але спостережуваний компонент маси протона.
Хоча деякі дослідники прийшли до висновку, що чарівні кварки можуть забезпечити не більше 0.5% імпульсу протона, інші натомість виявили, що можливий внесок до 2%.
В останній роботі в Співпраця NNPDF – до складу якого входять фізики з Міланського університету, Вільного університету Амстердама та Единбурзького університету – каже, що знайшов «однозначні докази» того, що внутрішні чарівні кварки дійсно існують. Він зробив це, спираючись на масиви даних про зіткнення з LHC та інших джерел, які він раніше використовував для розробки так званих партонних функцій розподілу (PDF), які вони називають NNPDF4.0.
Точкові частинки
Партон — це загальний термін для опису точкових частинок в адроні, запропонований Річардом Фейнманом у 1960-х роках для аналізу зіткнень частинок і зараз еквівалентний кварку або глюону. Оскільки імпульс, спін та інші властивості партонів визначаються сильною силою в умовах дуже великого зв’язку, їх значення не можна обчислити за допомогою наближень, можливих за допомогою збуреної КХД. Проте, вивчаючи кінематику адронних зіткнень, можна побудувати розподіли ймовірностей, які показують шанси на те, що партон матиме певну частку імпульсу адрону в певному масштабі.
Нове дослідження включало обчислення PDF чарівного кварка, враховуючи імпульс, який він і три найлегші кварки – верхній, низький і дивний – сприяють зіткненню протона в процесі розсіювання. Потім вони використали пертурбативну КХД – апроксимацію сильних взаємодій за допомогою перших двох або трьох членів у розширенні виразу сильного зв’язку – щоб перетворити цей PDF на такий, що складається з радіаційних компонентів лише трьох найлегших кварків. Як вони зазначають, позбавлений власного випромінювального компонента шарм-кварка, цей новий PDF міститиме лише внутрішню чарівність.
Використовуючи нейронні мережі для найкращого зіставлення експериментальних даних із формою та величиною PDF-файлів, вони дійшли висновку, що внутрішні шарм-кварки точно існують. Незважаючи на те, що вони встановили, що внутрішня чарівність становить менше 1% імпульсу протона, пов’язана з ним функція прямої плотності сильно нагадує те, що очікується з теорії – пік у частці імпульсу становить близько 0.4 (крихітні ймовірності, що означають, що інтеграція дає невелику загальну суму), у той час як вона зменшується. швидко дрібними фракціями. Він також точно збігається з PDF-файлами, отриманими на основі інших даних про зіткнення, зокрема, нещодавніх результатів, пов’язаних із утворенням Z-бозонів в експерименті LHCb, і набагато більш ранніх даних Європейського мюонного співробітництва (EMC) CERN.
NNPDF розраховує, що лише за даними аналізу 4.0 статистична значущість реального внутрішнього шарму становить приблизно 2.5σ, тоді як значущість зростає приблизно до 3σ, якщо також включити дані LHCb та EMC. Статистична значущість 5σ або більше зазвичай вважається відкриттям у фізиці елементарних частинок.
«Наші висновки закривають фундаментальне відкрите питання в розумінні структури нуклона, яке гаряче обговорювалося фізиками частинок і ядер протягом останніх 40 років», — йдеться в статті колаборації в природа описуючи його дослідження.
Спостереження нейтрино
Дослідники кажуть, що вони з нетерпінням чекають подальших досліджень внутрішньої чарівності в таких експериментах, як LHCb CERN і Електронно-іонний колайдер (зараз будується в Брукхейвенській національній лабораторії в США). Спостереження на нейтринних телескопах також представляють інтерес, тому що частинки, що містять чарівні кварки, можуть розпадатися з утворенням нейтрино в атмосфері Землі. Ці вимірювання можуть допомогти визначити форму та величину внутрішньої чарівності, а також виявити будь-які відмінності між кварками внутрішньої чарівності та антикварками», – сказав член групи. Хуан Рохо Вільного університету Амстердама.
Деякі космічні нейтрино можуть не бути космічними
Інші експерти також вітають додаткові дані, але не погоджуються з важливістю останньої роботи. Стенлі Бродський у Національній прискорювальній лабораторії SLAC у США стверджують, що результат є «переконливим» доказом внутрішньої чарівності. однак, Рамона Фогт з Ліверморської національної лабораторії імені Лоуренса, також у США, вказує на те, що його статистична значущість не відповідає необхідному для відкриттів у фізиці елементарних частинок. «Цей результат є кроком вперед, але це не остаточне слово», — каже вона.
Воллі Мельничук на Національному прискорювальному заводі Томаса Джефферсона, знову ж таки в США, є більш критичним. Далекий від того, щоб бути остаточним, він вважає докази NNPDF залежними від того, як вони визначають внутрішню чарівність і вибір, який він робить для пертурбаційного розрахунку, стверджуючи, що визначення інших груп, які не знайшли доказів, однаково дійсні. Він стверджує, що набагато більш переконливим сигналом було б спостереження різниці між чарівними та античаровими PDF-ами в протоні. «Ненульова різниця між ними набагато менш сприйнятлива до вибору теоретичних схем і визначень», — каже він.
