Несмотря на споры, продолжавшиеся почти четыре десятилетия, новый анализ данных коллаборации NNPDF подтвердил наличие в проtone дополнительной элементарной частицы — очарованного кварка.
Всё, что нас окружает, образовано атомами, состоящими из субатомных частиц:Ядро образуют протоны и нейтроны, вокруг которых вращаются электроны. Стандартная модель физики частиц утверждает, что протон — составная частица. Эксперименты показывают, что он состоит минимум из трех частиц: двух верхних кварков и одного нижнего кварка, связанных глюонами. Квантовая теория предсказывает возможность присутствия в протоне других кварк-антикварковых пар, включая очарованные кварки, масса которых больше массы самого протона.
Теоретики полагают, что эти очарованные кварки «принадлежат» протону, то есть являются частью его на больших временных масштабах, а не результатом взаимодействия с внешней частицей. Ни один эксперимент пока не подтвердил существование этого присущего очаровательного кварка.
Проанализировав огромные массивы данных о столкновениях с помощью методов машинного обучения, коллаборация NNPDF наконец предоставила долгожданное доказательство.
Проанализированы данные о более чем 500 000 столкновений
NNPDF (нейросетевая функция распределения партонов) исследует физику высоких энергий, стремясь с помощью искусственного интеллекта точно определить структуру протона — распределение кварков и глюонов внутри него. Это знание является ключевым для программы исследований Большого адронного коллайдера (БАК) в ЦЕРНе.
Группа применила модель машинного обучения для создания гипотетических структур протонов с разными вкусами кварков: верхним, нижним, очарованным, странным, истинным и прелестным. Затем сравнила эти структуры с результатами более чем 500 тысяч реальных столкновений в ускорителях частиц за последнее десятилетие.
Открытие было сделано: крошечная доля (0,5%) импульса протона приходится на очарованный кварк, который намного тяжелее верхнего и нижнего кварков (в тысячи раз тяжелее верхнего!). Этому открытию предшествовал эксперимент LHCb прошлого года по изучению Z-бозона, выявивший наличие очарованных кварков в протонах. Команда считает, что в протонной массе (чуть меньше 1 ГэВ), иногда спонтанно появляются очаровательные кварки и их античастицы с массой около 1,5 ГэВ каждая.
Уверенность все еще слишком низкая
Удивительно, но протон может состоять из частицы, масса которой превышает массу самого протона. Такое положение дел противоречит здравому смыслу, подобно тому как покупка килограммовой пачки соли и получение двух килограммов песка. В квантовой механике же это вполне возможно, утверждает Хуан Рохо, физик-теоретик из Свободного университета Амстердама и ведущий автор исследования. , описывающей это открытие.
Учёные считают, что без пары очарования и антиочарования кварков у протона получить наблюдаемые экспериментально значения было бы маловероятно – лишь 0,3%. Такое объяснение соответствует уровню доверия в 3 сигмы. Это серьёзный показатель в физике частиц. — говорит Рохо. Но для признания результата настоящим достижением требуется пять сигм. Дальнейшие исследования нужны, чтобы выйти из разряда «доказательства» и попасть в категорию «открытия».
В ускорителях частицДвижение столкновившихся протонов вырабатывает такое количество энергии, что из нее иногда возникают тяжелые кварки и их античастицы. Эти «внешние» кварки не являются основополагающими для идентичности протона. Вместо этого это кварки, которые естественным образом появляются время от времени в невозмущенном, а значит, низкоэнергетическом протоне.
Это явление встречается нечасто, но может быть значимым для экспериментов на Большом адронном коллайдере. В ходе экспериментов в ЦЕРНе происходит столкновение протонов, и поиск мелких отклонений может свидетельствовать о новых частицах или силах. Такое исследование выполнимо лишь при полном понимании их природы. «, — заключает физик.