فیزیک ذرات: یک کشف شگفت انگیز یک کوارک جذاب را در داخل یک پروتون نشان می دهد

شرح کتاب درسی از پروتون می‌گوید که حاوی سه ذره کوچکتر است – دو کوارک بالا و یک کوارک پایین – اما یک تحلیل جدید شواهد قوی پیدا کرده است که نشان می‌دهد آن همچنین حاوی یک کوارک جذاب است.

توسط الکس ویلکینز

پروتون، ذره‌ای که در هسته هر اتم یافت می‌شود، به نظر می‌رسد ساختار پیچیده‌تری نسبت به آنچه که به طور سنتی در کتاب‌های درسی ارائه می‌شود دارد. این کشف می تواند پیامدهایی برای آزمایش های فیزیک ذرات حساس مانند برخورد دهنده بزرگ هادرون (LHC) داشته باشد.

در حالی که قبلاً تصور می شد پروتون ها غیرقابل تقسیم هستند، آزمایشات با شتاب دهنده های ذرات در دهه 1960 نشان داد که آنها حاوی سه ذره کوچکتر به نام کوارک هستند. کوارک ها در شش نوع یا طعم وجود دارند و یک پروتون حاوی دو کوارک بالا و یک کوارک پایین است.

اما در مکانیک کوانتومی، ساختار ذره تابع احتمالات است، به این معنی که احتمال نظری وجود دارد که کوارک‌های دیگر در داخل پروتون به صورت جفت ماده و پادماده ظاهر شوند. آزمایشی در همکاری اروپایی میون در سرن در سال 1980 نشان داد که یک پروتون ممکن است حاوی یک کوارک جذاب و معادل پادماده آن، ضد خون باشد، اما نتایج بی‌نتیجه و بحث‌های داغ بود.

تلاش‌های دیگری برای تعیین مؤلفه جادوی پروتون انجام شده است، اما گروه‌های مختلف به نتایج متناقضی دست یافته‌اند و جدا کردن اجزای سازنده پروتون از محیط پرانرژی شتاب‌دهنده‌های ذرات، جایی که هر نوع کوارک در آن ایجاد می‌شود، دشوار است. و به سرعت نابود شدند. .

اکنون، خوان روخو در دانشگاه Vrije در آمستردام در هلند و همکارانش شواهدی یافته اند که نشان می دهد بخش کوچکی از تکانه پروتون، حدود 0.5 درصد، از کوارک جذابیت می آید. روگاکس می گوید: «قابل توجه است که حتی پس از این همه دهه مطالعه، ما هنوز در حال یافتن خواص جدید پروتون و به ویژه اجزای جدید هستیم.

برای جداسازی مولفه جادویی، روخو و تیمش از یک مدل یادگیری ماشینی استفاده کردند تا ساختارهای پروتون فرضی را که از طعم های مختلف کوارک ها تشکیل شده بود، بیابند و سپس آنها را با بیش از 500000 برخورد در دنیای واقعی از دهه ها آزمایش شتاب دهنده ذرات مقایسه کردند. از جمله در LHC.

کریستین آیدالا از دانشگاه واشنگتن می‌گوید این استفاده از یادگیری ماشین اهمیت ویژه‌ای داشته است، زیرا می‌تواند مدل‌هایی ایجاد کند که فیزیکدانان لزوماً خودشان فکر نمی‌کنند و شانس اندازه‌گیری‌های جانبدارانه را کاهش می‌دهد.

محققان دریافتند که اگر یک پروتون حاوی یک جفت کوارک سحرآمیز و آنتی ژن نباشد، تنها 0.3 درصد شانس مشاهده نتایج بررسی شده وجود دارد. فیزیکدانان این نتیجه را “3 سیگما” می نامند، که معمولاً به عنوان نشانه احتمالی چیزی جالب دیده می شود. برای ارتقای نتایج به سطح 5 سیگما به کار بیشتری نیاز است، که به این معنی است که یک در 3.5 میلیون احتمال یک نتیجه تصادفی وجود دارد که به طور سنتی آستانه تشخیص است.

این تیم به نتایج اخیر آزمایش LHCb Z-بوزون نگاه کرد و توزیع آماری تکانه پروتون را با و بدون کوارک جذابیت مدلسازی کرد. آنها دریافتند که این مدل اگر فرض کند که پروتون حاوی یک کوارک افسون باشد، بهترین نتایج را دارد. این بدان معنی است که آنها در پیشنهاد وجود یک کوارک جذابیت بیش از حد خود سطح سیگما اطمینان دارند. روگاکس می‌گوید: «این واقعیت که مطالعات بسیار متفاوتی بر روی یک نتیجه مشابه هستند، به‌ویژه ما را مطمئن کرد که نتایج ما قوی هستند.

هری کلیف از دانشگاه کمبریج می‌گوید: «با توجه به گستردگی این ذره و مدت زمانی که درباره آن می‌دانیم، هنوز چیزهای زیادی درباره زیرساخت‌های آن نمی‌دانیم، بنابراین این قطعاً مهم است».

کلیف می‌گوید که عنصر جادوی پروتون می‌تواند برای سایر آزمایش‌های فیزیک در برخورددهنده بزرگ هادرون نیز بازتاب داشته باشد، زیرا این عنصر بر مدل‌های دقیق زیرساخت پروتون متکی است. روگو می‌گوید رصدخانه نوترینو IceCube در قطب جنوب، که به دنبال نوترینوهای کمیاب است که در اثر برخورد پرتوهای کیهانی با ذرات موجود در جو زمین تولید می‌شوند، ممکن است لازم باشد این ساختار جدید را نیز در نظر بگیرد. او می‌گوید: «احتمال تأثیر پرتوهای کیهانی بر هسته جو و تولید نوترینوها نسبت به محتوای جذابیت پروتون بسیار حساس است.

مرجع مجله: طبیعت خلق و خوDOI: 10.1038/s41586-022-04998-2

اشتراک در Lost in Space-Time، یک خبرنامه ماهانه رایگان در مورد عجیب بودن واقعیت