- Ny forskning viser at protoner inneholder iboende sjarmkvarker.
- Dette til tross for det subatomisk sjarmkvarker er omtrent 1,5 ganger mer massive enn protonet i seg selv.
- Når sjarm kvarker er tilstede, bærer de omtrent halvparten av protonets masse.
Protoner er partikler som finnes i kjernen til alle atomer, med nummeret som definerer elementene selv. Protoner er imidlertid ikke fundamentale partikler. Snarere er de sammensatte partikler som består av mindre subatomære partikler, nemlig to “oppkvarker” og en “nedkvarker” bundet sammen av kraftbærende partikler (bosoner) kalt “gluoner”.
Denne strukturen er imidlertid ikke sikker, og kvantefysikk antyder at sammen med disse tre kvarkene, andre partikler bør “sprette” inn og ut av eksistensen til enhver tid, og påvirke massen til protonet. Dette inkluderer andre kvarker og til og med kvark-antikvark-par.
Faktisk har de dypere forskerne undersøkt strukturen til proton med høyenergipartikkelkollisjoner, jo mer komplisert har situasjonen blitt. Som et resultat, i rundt fire tiår, har fysikere spekulert i at protoner kan være vert for en tyngre form for kvarker enn opp- og nedkvarker kalt “iboende sjarmkvarker”, men bekreftelse på dette har vært unnvikende.
Nå, ved å utnytte en høypresisjonsbestemmelse av kvark-gluon-innholdet i protonet og ved å undersøke 35 års data, har partikkelfysikkdataforskere oppdaget bevis på at protonet inneholder iboende sjarmkvarker.
Det som gjør dette resultatet mer ekstraordinært er at denne smaken av kvark er halvannen ganger mer massiv enn selve protonet. Men når den er en komponent av protonet, utgjør sjarmkvarken fortsatt bare rundt halvparten av massen til den sammensatte partikkelen.
Kvantemekanikkens merkelighet
Dette kontraintuitive oppsettet er en konsekvens av det rare ved kvantemekanikk, fysikken som styrer den subatomære verden. Dette krever å tenke på strukturen til en partikkel og hva som kan finnes i den som sannsynlighet.
“Det er seks typer kvarker i naturen, tre er lettere enn protonet [up, down, and strange quarks] og tre er tyngre [charm, up, and down quarks]”, forteller Stefano Forte, NNPDF Collaboration-teamleder og professor i teoretisk fysikk ved Milano University, til Nature Briefing-podcast. “Man skulle tro at bare de lettere kvarkene er inne i protonet, men faktisk tillater kvantefysikkens lover også at de tyngre kvarkene er inne i protonet.”
Forte – hovedforfatteren av en papir publisert tidligere denne måneden i tidsskriftet Natur, som beskriver forskningen — og teamet hans forsøkte å finne ut om den letteste av disse tyngre kvarkene, sjarmkvarken, finnes i protonet.
Når Stor Hadron Collider (LHC) og andre partikkelakseleratorer knuser protoner mot hverandre (og andre partikler, som elektroner) ved høye energier, det som dukker opp er en dusj av partikler. Dette kan brukes til å “rekonstruere” sammensetningen av den opprinnelige partikkelen og partiklene som omfattet den, samlet kjent som “partons.”
Hver av disse partonene bærer bort en del av det totale momentumet til systemet – momentumfordelingen – med denne andelen av momentum kjent som momentumfraksjonen.
Forte og kollegene matet 35 år med data fra partikkelakseleratorer, inkludert verdens største og kraftigste maskin av denne typen, LHC, til en datamaskin algoritme som deler protonstrukturen sammen igjen ved å se etter en “best passform” for strukturen ved høye energier. Herfra beregnet teamet strukturen for protonet når det er i ro.
Dette resulterte i det første beviset på at protoner faktisk noen ganger har sjarmkvarker. Disse er merket som “iboende” fordi de er en del av protonet i lang tid og fortsatt er tilstede når protonet er i ro, noe som betyr at det ikke kommer fra høyenergiinteraksjonen med en annen partikkel.
“Du har en sjanse, som er liten, men ikke ubetydelig, til å finne en sjarmkvark i protonet, og når du finner en, hender det at den sjarmkvarken vanligvis bærer omtrent halvparten av protonmassen,” sier Forte på podcasten. “Dette er kvantefysikk, så alt er sannsynlig.”
Scenarioet “Intrinsic” Charm Quark
Romona Vogt er en høyenergifysiker ved Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) i California, som skrev en “News and Views” stykke til Natur å følge den nye forskningsoppgaven.
Hun forklarer tilPopulær mekanikkhvordan sjarmkvarker kan kobles til protonstruktur og hvordan det indre sjarmkvark-scenarioet skiller seg fra standardscenariet som ser protoner som består av bare to opp- og én ned-kvarker sammen med gluoner.
“Sjarmkvarker kommer i kvark-antikvark-par i både standardscenariet og den indre sjarmen,” sier Vogt. “I standardscenariet utstråler en gluon denne sammenkoblingen under en høyenergiinteraksjon. På grunn av sjarmkvarkens masse er den for tung til å være en del av ‘havet’ av lette opp, ned og merkelige kvarker.»
Dette betyr at sjarmkvarken ikke spiller noen stor rolle når fysikere beregner standard funksjoner for parton momentumfordeling før momentum når en terskel over masse.
“Det er veldig forskjellig fra scenariet med indre sjarm der sjarmfordelingen bærer en stor brøkdel av protonmomentumet,” legger Vogt til. “Fordi i det indre sjarm-kvarkscenariet er kvark-antikvark-paret knyttet til mer enn én av opp- og nedkvarkene i protonet de reiser med. Det er derfor sjarmkvarkene dukker opp i store momentumbrøker.
“Protonet er mer eller mindre ‘tomt’ i dette scenariet eller har en liten størrelseskonfigurasjon fordi protonet bare er opp-, opp-, ned-kvarker og sjarm-kvarker uten andre kvarker med lavt momentum fraksjoner i den minimale modellen av indre sjarm. ”
Vogt antyder at NNPDF-samarbeidets resultater kan få andre forskere til å spørre om andre kvarker kan spille en rolle i sammensetningen av protoner.
“Et spørsmål disse funnene kan reise er om det er andre iboende kvarkscenarier, som iboende bunn og iboende merkelighet,” sier hun.