Колаборація фізиків NNPDF відшукала докази існування чарівного кварка у протоні, проаналізувавши величезний набір даних з експериментів за допомогою машинного навчання. Внутрішню чарівність протона підтвердили на рівні похибки у три стандартних відхилення, а результат роботи закриває фундаментальне питання у розумінні структури нуклонів, яке було відкритим протягом останніх 40 років. Дослідження опубліковане у журналі Nature.
DOE's Jefferson Lab
З чого складається протон?
Сьогодні вивчення структури протона — складової ядра атома — одна з найактивніших галузей фізики елементарних частинок, адже це необхідно для передбачення фізичних процесів на Великому адронному колайдері та інших експериментах. І властивості цієї структури «закодовані» у властивостях частинок, з яких протон складається — кварків, яких пов'язують глюони, — частинки-переносники сильної взаємодії. Всього сьогодні відомо 6 сортів кварків, які ділять за так званими ароматами на нижній d, верхній u, дивний s, чарівний c, красивий b і справжній t.
Вважається, що протон складається з двох верхніх кварків та одного нижнього, однак на швидкостях, близьких до швидкості світла, на додачу утворюються так звані «морські кварки» — безліч пар кварків з їхніми партнерами-античастинками — антикварками. Так сьогодні всередині протона у високоенергетичних зіткненнях можна виявити як легкі, так і важкі кварки, яким фізика дозволяє за масою перевищувати масу протона. Однак якщо з міркувань закону збереження енергії та маси можна припустити, що всі три легкі кварки та антикварки (верхній, нижній та дивний) слід враховувати у хвильовій функції протона, то щодо важких кварків (зачарований, істинний та чарівний) фізики все ще сперечаються.
Що таке внутрішня чарівність?
Весь імпульс протона розподілений у деяких пропорціях між усіма цими частинками, структуру протона можна уточнити за функцією розподілу партонів (кварки і глюони). І ще на початку квантової хромодинаміки стверджувалося, що у хвильовій функції протона мають бути всі види важких кварків. Однак вже більше 40 років точаться суперечки, що протон може мати внутрішню чарівність — найлегший з важких кварків, чарівний. Одні експерименти показують, що зачаровані кварки переносять до двох відсотків імпульсу протона, проте інші кажуть, що це значення не перевищує і половини відсотка.
І в цій роботі фізики з колаборації NNPDF зробили свій внесок у це питання та представили свої докази внутрішній чарівності протона: на чарівний кварк припадає до відсотка імпульсу протона з точністю у три стандартних відхилення.
Як чарівність шукали?
Щоб виокремити внесок чарівності, фізики використали кілька масивів експериментальних даних, а також машинне навчання. Їхньою метою було знайти саме внутрішню чарівність протона, відокремлену від утворення пар чарівний кварк-антикварк, що виникають через високоенергетичне випромінювання. Для цього вчені мали підібрати таку функцію розподілу партонів, яка б допомогла виокремити внесок чарівного кварка у глибоко непружне розсіяння. Отримані розрахунки дослідники і використали на експериментальних даних про непружні розсіяння, додатково перевіривши свої висновки на результатах останніх експериментів фізиків з колаборації LHCb, які досліджували події народження Z-бозонів у протон-протонних зіткненнях, що супроводжувалися чарівними джетами (charm jet).
Отримана в результаті функція розподілу чарівних кварків-антикварків мала пік в області імпульсу протона 0,4. І хоча внутрішня чарівність протона виявляється невеликою в абсолютному вираженні, маючи долю у всього відсоток імпульсу, вона значно відрізняється від нуля зі значимістю результату у три стандартних відхилення, який пов'язує частки партонних імпульсів з результатами експериментів на прискорювачах.