Понимание очарования протонов может улучшить информацию, полученную с помощью коллайдеров частиц
Протоны могут обладать внутренним очарованием.
Субатомные частицы представляют собой смесь трех более легких частиц, называемых кварками: двух из типа, известного как верхние кварки, и одного нижнего кварка. Но физики десятилетиями предполагали, что протоны могут также содержать более массивные кварки, называемые “внутренними” чарм-кварками. Новый анализ подтверждает эту идею, сообщают физики в журнале Aug. 18 Nature.
Чарм-кварки намного тяжелее верхних или нижних кварков. Настолько тяжелые, что, поразительно, “у вас может быть компонент протона, который тяжелее самого протона”, - говорит физик-теоретик Хуан Рохо из Амстердамского университета Врии.
Рохо и его коллеги объединили различные экспериментальные результаты и теоретические расчеты в надежде раскрыть гипотетическое очарование протона. Измерение этой особенности является ключом к полному пониманию одной из самых важных частиц во Вселенной, говорит Рохо.
Физики знают, что чем глубже вы исследуете протон, тем более сложным он кажется. При наблюдении при очень высоких энергиях, как при столкновениях на ускорителях частиц, таких как Большой адронный коллайдер или БАК, недалеко от Женевы, протоны содержат разношерстную команду переходных кварков и их аналогов из антивещества, антикварков (SN: 18.04.17). Такие “внешние” кварки создаются, когда глюоны, частицы, которые помогают “склеивать” кварки вместе внутри протонов, расщепляются на пары кварк-антикварк.
Внешние кварки не являются фундаментальными для идентичности протона. Они просто являются результатом того, как глюоны ведут себя при высоких энергиях. Но чарм-кварки могут существовать внутри протонов даже при низких энергиях в более стойкой, глубоко укоренившейся форме.
В квантовой физике частицы не принимают определенного состояния, пока их не измерят — вместо этого они описываются вероятностями. Если протоны содержат внутреннее очарование, то была бы небольшая вероятность обнаружить в протоне не только два верхних кварка и нижний кварк, но также кварк очарования и антикварк. Поскольку протоны не являются четко определенными наборами отдельных частиц, масса протона не является простой суммой его частей (SN: 26.11.18). Малая вероятность означает, что полная масса чарм-кварка и антикварка не добавляется к массе протона, объясняя, как протон может содержать частицы тяжелее самого себя.
Используя тысячи измерений, проведенных в экспериментах на БАК и других ускорителях частиц, в сочетании с теоретическими расчетами, команда обнаружила доказательства внутреннего очарования протона на статистическом уровне, называемом 3 сигма. Исследователи сообщают, что кварки внутреннего очарования несут около 0,6 процента импульса протона.
Но для получения окончательного результата обычно требуется 5 сигм. “Данных и анализа пока недостаточно ... для перехода от ”доказательств" к "открытию" внутреннего очарования", - говорит Рамона Вогт, физик-теоретик из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса в Калифорнии, которая написала перспективную статью об исследовании для Nature.
Более того, определить, что подразумевается под “внутренним очарованием”, непросто, что затрудняет сравнение нового открытия с более ранними результатами разных групп. “Предыдущие исследования выявили разные пределы внутреннего очарования отчасти потому, что в них использовались разные определения и схемы”, - говорит физик-теоретик Уолли Мельничук из лаборатории Джефферсона в Ньюпорт-Ньюс, Вирджиния.
Примечательно, что новый анализ включает результаты совместной работы LHCb, которая сообщила об измерениях, потенциально согласующихся с внутренним очарованием протона в Physical Review Letters от 25 февраля. Включение этих данных в анализ - это “то, что действительно ново”, - говорит физик-теоретик К.-П. Юань из Мичиганского государственного университета в Восточном Лансинге. Но у Юаня есть оговорки относительно типа вычислений, используемых для интерпретации данных. “Это не делается с помощью того, что мы сегодня называем анализом по последнему слову техники”.
Ученым необходимо определить содержание внутреннего очарования протонов, чтобы лучше понять результаты, полученные на БАК и других установках, которые сталкивают протоны друг с другом, и наблюдать, что получается. Исследователи должны быть в состоянии оценить все особенности объектов, с которыми они сталкиваются.
Данные с будущих ускорителей, таких как планируемый электронно-ионный коллайдер, могли бы помочь, говорит физик-теоретик Тим Хоббс из Fermilab в Батавии, Иллинойс. На данный момент протон остается загадочным. “Проблема все еще с нами; она остается очень сложной”.
Подпишись, чтобы всегда быть в курсе.