Cuộc tranh luận kéo dài 40 năm về quark duyên trong proton có thể đã được giải quyết bằng một phân tích dữ liệu học máy mới từ Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC) tại CERN và các cơ sở khác. Tuy nhiên, không phải tất cả vật lý hạt đều đồng ý với đánh giá này.
Trong nhiều thập kỷ, các nhà vật lý đã tranh luận liệu proton có chứa cái gọi là quark duyên nội tại hay không. Sắc động lực học lượng tử (QCD), lý thuyết về lực hạt nhân mạnh, cho chúng ta biết rằng proton gồm có hai quark lên và một quark xuống liên kết với nhau bởi các hạt mang lực gọi là gluon. Nhưng nó cũng dự đoán rằng các proton, giống như neutron hay bất kỳ hadron nào khác, đều chứa một loạt các cặp quark-phản quark khác.
Người ta biết rằng một lượng lớn các hạt bổ sung này được tạo ra khi gluon được gia tốc trong các va chạm năng lượng cao giữa các proton, giống như lý thuyết điện từ cho chúng ta biết rằng các photon được giải phóng khi các hạt tích điện tăng tốc. Nhưng điều chưa rõ ràng hơn là mức độ mà ngay từ đầu có thể có thêm các quark bên trong proton và neutron – cái gọi là các quark nội tại đóng góp vào các hàm sóng lượng tử của hadron.
Nặng hơn proton
Các nhà khoa học đồng ý về sự tồn tại của các quark lạ nội tại, vì các quark lạ có khối lượng nhỏ hơn nhiều so với proton. Tuy nhiên, vẫn còn sự không chắc chắn về sự tồn tại và khả năng đóng góp của các quark duyên nội tại. Những quark này nặng hơn proton, nhưng chỉ một lượng nhỏ – để ngỏ khả năng chúng cung cấp một thành phần khá nhỏ nhưng vẫn có thể quan sát được đối với khối lượng của proton.
Trong khi một số nhà nghiên cứu đã kết luận rằng các quark duyên có thể cung cấp không quá 0.5% động lượng của proton thì những người khác lại phát hiện ra rằng có thể đóng góp tới 2%.
Trong tác phẩm mới nhất, Cộng tác NNPDF – gồm các nhà vật lý từ trường Đại học Milan, trường Đại học Tự do Amsterdam và trường Đại học Edinburgh – cho biết họ đã tìm thấy “bằng chứng rõ ràng” rằng các quark duyên nội tại thực sự tồn tại. Nó đã làm được điều đó bằng cách dựa trên hàng loạt dữ liệu va chạm từ LHC và những nơi khác mà trước đây nó đã sử dụng để tìm ra cái được gọi là hàm phân phối parton (PDF), mà họ gọi là NNPDF4.0.
Các hạt dạng điểm
Parton là một thuật ngữ chung để mô tả các hạt dạng điểm bên trong một hadron, được Richard Feynman đề xuất vào những năm 1960 để phân tích sự va chạm của các hạt và ngày nay nó tương đương với một quark hoặc gluon. Bởi vì động lượng, spin và các tính chất khác của parton được xác định bởi lực mạnh trong điều kiện khớp nối rất lớn, nên giá trị của chúng không thể tính được bằng cách sử dụng các phép tính gần đúng có thể có với QCD nhiễu loạn. Tuy nhiên, bằng cách nghiên cứu động học của các va chạm hadron, người ta có thể xây dựng các phân bố xác suất cho thấy xác suất mà một parton sẽ có một phần nhất định của động lượng của hadron ở một thang đo cụ thể.
Nghiên cứu mới liên quan đến việc tính toán PDF của một quark duyên bằng cách xét động lượng của nó và ba quark nhẹ nhất – quark lên, quark xuống và quark lạ – góp phần tạo ra một proton va chạm trong quá trình tán xạ. Sau đó, họ sử dụng QCD nhiễu loạn – xấp xỉ các tương tác mạnh bằng cách sử dụng hai hoặc ba số hạng đầu tiên trong việc khai triển biểu thức ghép nối mạnh – để chuyển đổi bản PDF này thành một bản PDF gồm các thành phần bức xạ chỉ từ ba quark nhẹ nhất. Như họ đã chỉ ra, việc loại bỏ thành phần bức xạ của quark duyên, bản PDF mới này sẽ chỉ bao gồm sự quyến rũ nội tại.
Bằng cách sử dụng mạng lưới thần kinh để đối sánh tốt nhất dữ liệu thực nghiệm với hình dạng và độ lớn của tệp PDF, họ kết luận rằng quark duyên nội tại chắc chắn tồn tại. Mặc dù họ phát hiện ra rằng sức hút nội tại đóng góp ít hơn 1% động lượng proton, nhưng PDF liên quan của nó rất giống với dự đoán từ lý thuyết – cực đại ở phần động lượng khoảng 0.4 (xác suất nhỏ liên quan đến việc tích phân mang lại tổng nhỏ) trong khi giảm dần nhanh chóng ở các phần nhỏ. Nó cũng trùng khớp chặt chẽ với các tệp PDF được xử lý từ các dữ liệu va chạm khác – cụ thể là các kết quả gần đây liên quan đến việc tạo ra các boson Z tại thí nghiệm LHCb và nhiều dữ liệu trước đó từ Nhóm Hợp tác Muon Châu Âu (EMC) của CERN.
NNPDF tính toán rằng chỉ với dữ liệu từ phân tích 4.0, ý nghĩa thống kê của sức hấp dẫn nội tại là có thật là khoảng 2.5σ, trong khi ý nghĩa tăng lên khoảng 3σ nếu bao gồm cả dữ liệu LHCb và EMC. Ý nghĩa thống kê từ 5σ trở lên thường được coi là một khám phá trong vật lý hạt.
“Phát hiện của chúng tôi khép lại một câu hỏi mở cơ bản trong sự hiểu biết về cấu trúc nucleon đã được các nhà vật lý hạt và hạt nhân tranh luận sôi nổi trong 40 năm qua”, nhóm cộng tác viết trong một bài báo trên tạp chí Thiên nhiên mô tả nghiên cứu của mình
quan sát neutrino
Các nhà nghiên cứu cho biết họ mong muốn có những nghiên cứu sâu hơn về sức hấp dẫn nội tại tại các thí nghiệm như LHCb của CERN và các thí nghiệm tại Máy va chạm ion-điện tử (hiện đang được chế tạo tại Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven ở Mĩ). Các quan sát bằng kính thiên văn neutrino cũng được quan tâm vì các hạt chứa quark duyên có thể phân rã để tạo ra neutrino trong bầu khí quyển Trái đất. Những phép đo này có thể giúp xác định hình dạng và độ lớn của sức quyến rũ nội tại, cũng như thăm dò bất kỳ sự khác biệt nào giữa quark duyên nội tại và phản quark”, theo thành viên nhóm. Juan Rojo của Đại học Tự do Amsterdam.
Xét cho cùng, một số neutrino vũ trụ có thể không phải là vũ trụ
Các chuyên gia khác cũng hoan nghênh dữ liệu bổ sung nhưng không đồng ý về tầm quan trọng của công việc mới nhất. Stanley Brodsky tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia SLAC ở Mỹ cho biết kết quả này cung cấp bằng chứng “thuyết phục” về sức hấp dẫn nội tại. Tuy nhiên, Ramona Vogt của Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore, cũng ở Mĩ, chỉ ra rằng ý nghĩa thống kê của nó không đạt đến mức cần thiết cho sự khám phá trong vật lý hạt. Cô nói: “Kết quả này là một bước tiến nhưng nó không phải là kết quả cuối cùng”.
Wally Melnitchouk tại Cơ sở Máy gia tốc Quốc gia Thomas Jefferson, cũng ở Hoa Kỳ, còn quan trọng hơn. Không hề dứt khoát, ông coi bằng chứng của NNPDF phụ thuộc vào cách nó xác định sức hấp dẫn nội tại và những lựa chọn mà nó đưa ra cho phép tính nhiễu loạn, cho rằng các định nghĩa từ các nhóm khác không tìm thấy bằng chứng đều có giá trị như nhau. Ông khẳng định rằng một tín hiệu hấp dẫn hơn nhiều sẽ là sự quan sát thấy sự khác biệt giữa các tệp PDF duyên và phản duyên trong proton. Ông nói: “Một sự khác biệt khác 0 giữa những điều này ít nhạy cảm hơn nhiều với việc lựa chọn các sơ đồ và định nghĩa lý thuyết”.
