Хотя физики спорили об этом почти четыре десятилетия, новый анализ данных, проведенный коллаборацией NNPDF, показал, что протон действительно обладает еще одной элементарной частицей, называемой очарованным кварком. Внутренняя природа этого кварка может иметь важные последствия для поиска новой физики.
Вся окружающая нас материя состоит из атомов, которые, в свою очередь, состоят из субатомных частиц: протоны и нейтроны составляют ядро, вокруг которого тяготеют электроны. Согласно стандартной модели физики частиц, протон является так называемой составной частицей: экспериментальные данные показывают, что он состоит как минимум из трех частиц (двух верхних кварков и одного нижнего кварка), связанных глюонами. Квантовая теория предсказывает, однако, что протон может содержать несколько других кварк-антикварковых пар, включая очарованные кварки, которые более массивны, чем сам протон.
Теоретики считают, что эти очарованные кварки "присущи" протону, что означает, что они являются частью протона на больших временных масштабах, а не результатом взаимодействия с внешней частицей. Однако ни один эксперимент пока не смог доказать существование этого присущего очаровательного кварка. Анализируя огромные массивы данных о столкновениях с помощью методов машинного обучения, коллаборация NNPDF наконец-то предоставила долгожданное доказательство.
Сотрудничество NNPDF (нейросетевая функция распределения партонов) проводит исследования в области физики высоких энергий. Его цель — определить точную структуру протона (т.е. распределение его составных частей, кварков и глюонов) с помощью методов искусственного интеллекта. Эти знания являются важнейшим элементом исследовательской программы Большого адронного коллайдера (БАК) в ЦЕРНе.
Если говорить конкретно, то группа использовала модель машинного обучения для построения различных гипотетических структур протонов с различными ароматами кварков; напомним вкратце, что существует шесть ароматов: верхний, нижний, очарованный, странный, истинный и прелестный. Затем они сравнили эти различные структуры протонов с результатами, полученными в результате более чем 500 000 реальных столкновений в ускорителях частиц за последние десять лет.
Они обнаружили, что крошечная доля (0,5%) импульса протона приходится на очарованный кварк. Последний намного тяжелее верхнего и нижнего кварков (в тысячи раз тяжелее верхнего кварка!). Это открытие связано, в частности, с проведенным в прошлом году на Большом адронном коллайдере (LHCb) экспериментом по изучению Z-бозона, который выявил наличие очарованных кварков в протонах. Согласно своим расчетам, команда считает, что в протоне — масса которого чуть меньше 1 ГэВ — очаровательные кварки и их античастицы, каждая с массой около 1,5 ГэВ, иногда появляются спонтанно.
Итак, как бы невероятно это ни казалось, протон может состоять из частицы более массивной, чем он сам! "Это противоречит всякому здравому смыслу. Это все равно, что купить килограммовую пачку соли и получить два килограмма песка. Но в квантовой механике такое вполне возможно", — объясняет Хуан Рохо, физик-теоретик из Свободного университета Амстердама и ведущий автор статьи, описывающей это открытие.
Исследователи также утверждают, что если бы у протона не было пары очарование-антиочарование кварков, то шанс получить значения, наблюдаемые экспериментально, составлял бы всего 0,3%. Это дает их результатам уровень доверия в 3 сигмы. "Это то, что мы называем серьезным показателем в физике частиц", — говорит Рохо. Однако для того, чтобы результат считался действительно значимым, необходим уровень в 5 сигм. Поэтому необходимы дальнейшие исследования, чтобы перейти от статуса "доказательство" к статусу "открытие".
В ускорителях частиц движение сталкивающихся протонов дает так много энергии, что из этой энергии иногда образуются тяжелые кварки и их античастицы — эти "внешние" кварки не являются фундаментальными для идентичности протона. Вместо этого, это кварки, которые естественным образом появляются время от времени в невозмущенном и, следовательно, низкоэнергетическом протоне. Это явление редкое, но может иметь большое значение для экспериментов на БАК.
"В экспериментах ЦЕРНа мы создаем столкновения между протонами и ищем тонкие аномалии, которые могут указывать на новые частицы или силы. Это возможно только в том случае, если мы полностью поймем их природу", — заключает физик.