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.
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.