Protonii conțin quarcuri farmec intrinseci, sugerează un nou studiu

Protonii ar putea avea un farmec intrinsec.

Particulele subatomice sunt un amestec de trei particule mai ușoare numite quarci: două de tipul cunoscut sub numele de quarci up și un quarc down. Dar fizicienii au speculat timp de decenii că protonii ar putea găzdui și quarcuri mai masive, numite quarcuri de farmec „intrinsec”. O nouă analiză susține această idee, raportează fizicienii în numărul din 18 august al revistei „The 18 Aug. Nature.

Quarcii de farmec sunt mult mai grei decât quarcii up sau down. Atât de greu încât, în mod halucinant, „puteți avea o componentă a protonului care este mai grea decât protonul însuși”, spune fizicianul teoretician Juan Rojo de la Vrije Universiteit Amsterdam.

Rojo și colegii săi au combinat o varietate de rezultate experimentale și calcule teoretice în speranța de a dezvălui farmecul ipotetic al protonului. Măsurarea acestei caracteristici este esențială pentru a înțelege pe deplin una dintre cele mai importante particule din univers, spune Rojo.

Fizicienii știu că, cu cât sondezi mai adânc un proton, cu atât mai complicat apare. Atunci când sunt observați la energii foarte mari, ca în cazul coliziunilor la acceleratoare de particule precum Large Hadron Collider, sau LHC, lângă Geneva, protonii conțin o echipă pestriță de quarci tranzitorii și omologii lor de antimaterie, antiquarci (SN: 4/18/17). Astfel de quarci „extrinseci” sunt creați atunci când gluonii, particule care ajută la „lipirea” quarcilor împreună în interiorul protonilor, se împart în perechi quarc-antiquark.

Quarcii extrinseci nu sunt fundamentali pentru identitatea protonului. Ei sunt pur și simplu un rezultat al modului în care se comportă gluonii la energii înalte. Dar quarcurile charm ar putea exista în interiorul protonilor chiar și la energii joase, într-o formă mai persistentă și mai adâncă.

În fizica cuantică, particulele nu capătă o stare definită până când nu sunt măsurate – în schimb, sunt descrise prin probabilități. Dacă protonii conțin farmec intrinsec, ar exista o mică probabilitate de a găsi în interiorul unui proton nu doar doi quarci up și un quarc down, ci și un quarc și un anticaracru farmec. Deoarece protonii nu sunt colecții bine definite de particule individuale, masa unui proton nu este o simplă sumă a părților sale (SN: 11/26/18). Probabilitatea mică înseamnă că întreaga masă a quarcului și a anticarului farmec nu se adaugă la greutatea protonului, explicând modul în care protonul poate conține particule mai grele decât el însuși.

Folosind mii de măsurători din experimentele de la LHC și de la alte acceleratoare de particule, combinate cu calcule teoretice, echipa a găsit dovezi pentru farmecul intrinsec în proton la un nivel statistic numit 3 sigma. Cercetătorii raportează că quarcii cu farmec intrinsec transportă aproximativ 0,6% din impulsul unui proton.

Dar 5 sigma este de obicei necesar pentru un rezultat concludent. „Datele și analiza nu sunt încă suficiente … pentru a trece de la „dovezi pentru” la „descoperirea” farmecului intrinsec”, spune Ramona Vogt, un fizician teoretician la Lawrence Livermore National Laboratory din California, care a scris un articol de perspectivă despre studiu pentru Nature.

Mai mult, definirea a ceea ce înseamnă „farmecul intrinsec” nu este simplă, ceea ce încurcă compararea noii descoperiri cu rezultatele anterioare ale unor grupuri diferite. „Studiile anterioare au găsit limite diferite ale farmecului intrinsec, în parte pentru că au folosit definiții și scheme diferite”, spune fizicianul teoretician Wally Melnitchouk de la Jefferson Lab din Newport News, Va.

În special, noua analiză încorporează rezultatele colaborării LHCb, care a raportat măsurători potențial compatibile cu farmecul intrinsec în proton în raportul din 25 februarie Physical Review Letters. Includerea acestor date în analiză este „ceea ce este cu adevărat nou”, spune fizicianul teoretician C.-P. Yuan de la Michigan State University din East Lansing. Dar Yuan are rezerve cu privire la tipul de calcul folosit pentru a interpreta datele. „Nu este făcută la ceea ce numim astăzi analiză de ultimă oră”.

Oamenii de știință trebuie să stabilească conținutul intrinsec de farmec al protonului pentru a înțelege mai bine rezultatele obținute la LHC și la alte instalații care sparg protoni între ei și observă ceea ce iese. Cercetătorii trebuie să fie capabili să măsoare intrările și ieșirile obiectelor pe care le ciocnesc.

Datele de la viitoarele acceleratoare, cum ar fi planificat Electron-Ion Collider, ar putea ajuta, spune fizicianul teoretician Tim Hobbs de la Fermilab din Batavia, Ill. Deocamdată, protonul rămâne misterios. „Problema este încă printre noi; rămâne o mare provocare”.