机器学习分析表明，质子含有内在的粲夸克

40 年前关于质子中粲夸克的争论可能已经通过对欧洲核子研究中心大型强子对撞机 (LHC) 和其他设施的数据进行新的机器学习分析得到解决。 然而，并不是所有的粒子物理学都同意这种评估。

几十年来，物理学家一直在争论质子是否包含所谓的内在魅力夸克。 量子色动力学 (QCD) 是强核力的理论，它告诉我们质子由两个上夸克和一个下夸克组成，它们被称为胶子的力载体结合在一起。 但它也预测质子，如中子或任何其他强子，包含许多其他夸克-反夸克对。

众所周知，当质子之间的高能碰撞期间胶子加速时会产生大量这些额外的粒子，正如电磁理论告诉我们带电粒子加速时会释放光子一样。 但不太清楚的是质子和中子中可能存在额外夸克的程度——所谓的内在夸克有助于强子的量子波函数。

比质子重

鉴于奇异夸克的质量远小于质子，科学家们同意存在固有的奇异夸克。 然而，内在粲夸克的存在和可能的贡献仍然存在不确定性。 这些夸克比质子重，但重量却很小——这使得它们有可能为质子的质量提供了一个相当小但仍可观察到的成分。

虽然一些研究人员得出结论，粲夸克只能提供不超过质子动量的 0.5%，但另一些研究人员发现，可能提供高达 2% 的动量。

在最新的作品中， NNPDF 协作 ——由来自米兰大学、阿姆斯特丹自由大学和爱丁堡大学的物理学家组成——表示已经找到“明确的证据”证明内在的粲夸克确实存在。 它通过利用来自 LHC 和其他地方的大量碰撞数据来做到这一点，这些数据以前用于计算所谓的部分子分布函数 (PDF)，他们称之为 NNPDF4.0。

点状粒子

Parton 是描述强子中点状粒子的通用术语，由 Richard Feynman 在 1960 年代提出来分析粒子碰撞，现在相当于夸克或胶子。 由于部分子的动量、自旋和其他特性是由非常大耦合条件下的强力决定的，因此它们的值不能使用微扰 QCD 可能的近似值来计算。 然而，通过研究强子碰撞的运动学，可以建立概率分布，显示一个部分在特定尺度上具有一定比例的强子动量的可能性。

新的研究涉及计算一个粲夸克的 PDF，通过考虑它和三个最轻的夸克——向上、向下和奇异——在散射过程中对碰撞质子的贡献。 然后，他们使用微扰 QCD——通过在强耦合表达式的扩展中使用前两个或三个项来近似强相互作用——将这个 PDF 转换为仅由最轻的三个夸克的辐射分量组成的 PDF。 正如他们所指出的，除去粲夸克自身的辐射成分，这个新的 PDF 将只包含内在的魅力。

通过使用神经网络将实验数据与 PDF 的形状和大小进行最佳匹配，他们得出结论，内在的粲夸克肯定存在。 尽管他们发现内在魅力对质子动量的贡献不到 1%，但其相关的 PDF 与理论预期的结果非常相似——动量分数约为 0.4 的峰值（涉及的微小概率意味着积分产生的总量很小）同时逐渐减少以小部分迅速。 它还与从其他碰撞数据中得出的 PDF 非常匹配——具体来说，最近的结果涉及 LHCb 实验中 Z 玻色子的产生，以及来自 CERN 的欧洲 μ 子协作 (EMC) 的更早数据。

NNPDF 计算出，仅凭借其 4.0 分析的数据，内在魅力真实的统计显着性约为 2.5σ，而如果还包括 LHCb 和 EMC 数据，则显着性上升到 3σ 左右。 5σ 或更大的统计显着性通常被认为是粒子物理学中的一个发现。

“我们的发现解决了过去 40 年来粒子和核物理学家激烈争论的核子结构的一个基本开放性问题，”该合作组织在一篇论文中写道。 自然 描述其研究。

中微子观测

研究人员表示，他们期待在 CERN 的 LHCb 和电子离子对撞机（目前正在美国布鲁克海文国家实验室建造）等实验中进一步研究内在魅力。 中微子望远镜的观测也很有趣，因为含有粲夸克的粒子可以衰变在地球大气中产生中微子。 这些测量可以帮助确定内在粲的形状和大小，以及探索内在粲夸克和反夸克之间的任何差异，”小组成员说 胡安·罗霍 阿姆斯特丹自由大学的。

其他专家也欢迎进一步的数据，但不同意最新工作的重要性。 斯坦利·布罗茨基 美国 SLAC 国家加速器实验室的研究人员表示，该结果为内在魅力提供了“令人信服”的证据。 然而， 拉蒙娜·沃格特 同样在美国的劳伦斯利弗莫尔国家实验室的研究人员指出，它的统计意义不及粒子物理学发现所需的意义。 “这个结果是向前迈出的一步，但它不是最终决定，”她说。

沃利·梅尔尼丘克 同样在美国的 Thomas Jefferson 国家加速器设施更为关键。 他认为 NNPDF 的证据远非确定性，而是取决于它如何定义内在魅力以及它为微扰计算所做的选择，并认为来自其他尚未找到证据的群体的定义同样有效。 他坚持认为，一个更有说服力的信号是观察质子中魅力和反魅力 PDF 之间的差异。 “这些之间的非零差异不太容易受到理论方案和定义的选择的影响，”他说。