Studie bevestigt dat het proton een intrinsieke magische quark heeft

Terwijl natuurkundigen hier al bijna veertig jaar over debatteren, onthult een nieuwe analyse van de gegevens door de NNPDF-samenwerking dat het proton inderdaad een ander fundamenteel deeltje bevat, een quark-charme. De intrinsieke aard van deze quark zou belangrijke implicaties kunnen hebben bij het zoeken naar nieuwe fysica.

Alle materie om ons heen is opgebouwd uit atomen, die op hun beurt subatomaire deeltjes bevatten: protonen en neutronen Het vormt de kern die eromheen wordt aangetrokken elektronen. Volgens het standaardmodel van de deeltjesfysica is het proton een zogenaamd complex deeltje: experimenteel bewijs toont aan dat het uit minstens drie deeltjes (de twee quarks) bestaat. bovenstaande quark laagste), gebonden door gluonen. De kwantumtheorie voorspelt echter dat een proton veel andere quark- en antiquark-paren kan bevatten, inclusief quarks. charme Het is zwaarder dan het proton zelf.

Theoretici geloven dat deze quarks charme Ze zijn “intrinsiek” voor het proton, wat betekent dat ze op lange tijdschalen deel uitmaken van het proton en niet het resultaat zijn van interacties met een extern deeltje. Geen enkel experiment is er echter in geslaagd het bestaan ​​van deze quark te bewijzen. charme op dit moment essentieel. Dankzij de analyse van enorme hoeveelheden botsingsgegevens via machine learning-technieken, levert de NNPDF-samenwerking eindelijk het langverwachte bewijs.

Gegevens van meer dan 500.000 botsingen zijn geanalyseerd

NNPDF-samenwerking (voor Gedeeltelijke distributiefunctie van een neuraal netwerkHij doet onderzoek op het gebied van hoge-energiefysica. Het doel is om de exacte structuur van het proton te bepalen (dwz de verdeling van zijn componenten, quarks en gluonen) met behulp van methodenkunstmatige intelligentie. Deze kennis is een cruciaal onderdeel van het onderzoeksprogramma van de LHC hadronen (LHC) bij CERN.

Concreet gebruikte de groep een machine learning-model om verschillende hypothetische structuren te bouwen uit protonen, met verschillende smaken quarks. Onthoud terloops dat deze smaken zes in getal zijn: bovenstaandeEn de laagsteEn de hogerEn de lagerEn de geweldig En de charme. Vervolgens vergeleken ze deze verschillende protonstructuren met resultaten verkregen tijdens meer dan 500.000 echte botsingen, uitgevoerd in deeltjesversnellers in de afgelopen 10 jaar.

Ze ontdekten dat een klein deel (0,5%) van het momentum van het proton wordt toegeschreven aan de quark. charme. De laatste is veel zwaarder dan quarks bovenstaande En de laagste (Duizenden keren zwaarder dan een quark bovenstaande !). Deze ontdekking is met name te danken aan: LHCb-ervaring (Beauty of the Large Hadron Collider) vorig jaar uitgevoerd op het Z-boson, waaruit het bestaan ​​van quarks bleek charme in protonen. Volgens hun berekeningen schat het team dat in het proton – dat een massa heeft van net onder 1 GeV – quarks charme En een antideeltje, dat elk een massa van ongeveer 1,5 GeV heeft, verschijnt soms spontaan.

Betrouwbaarheidsniveau is nog steeds erg laag

En dus, hoe ongelooflijk het ook mag klinken, een proton kan bestaan ​​uit een deeltje dat groter is dan hijzelf! ” Dit druist in tegen alle gezond verstand. Het is alsof je een kilo zout koopt en er komt twee kilo uit het zand. Maar in de kwantummechanica is zoiets heel goed mogelijk. “,” Juan Rojo legt uit:een theoretisch natuurkundige aan de Vrije Universiteit van Amsterdam en hoofdauteur van het artikel waarin de ontdekking wordt beschreven.

De onderzoekers beweren ook dat als een proton geen paar charm en anti-en-quarks zou hebben, er slechts 0,3% kans zou zijn om de experimenteel waargenomen waarden te verkrijgen. Dit geeft hun resultaten een betrouwbaarheidsniveau van 3 Sigma. ” Dit noemen we een serieuze aanwijzer in de deeltjesfysica Om het resultaat echt belangrijk te vinden, is echter sigma van niveau 5. Er moet dus verder onderzoek worden gedaan om van een staat van ‘bewijs’ naar een staat van ‘ontdekking’ te gaan.

In deeltjesversnellers levert de beweging van botsende protonen zo’n hoeveelheid energie dat zware quarks en hun antideeltjes soms uit deze energie kunnen worden gevormd – deze “buitenste” quarks zijn niet fundamenteel voor de identiteit van het proton. Anderzijds gaat het hier om quarks die van nature af en toe voorkomen in een ongestoord proton, en dus met een lage energie.

Dit fenomeen is zeldzaam, maar kan van groot belang zijn voor experimenten die zijn uitgevoerd bij de Large Hadron Collider. ” In CERN-experimenten creëren we botsingen tussen protonen en zoeken we naar subtiele anomalieën die kunnen wijzen op nieuwe deeltjes of krachten. Dit is alleen mogelijk als men hun aard volledig begrijpt. ‘ besluit de natuurkundige.

bron : NNPDF-samenwerking, natuur