Протоны могут содержать кварки, которые массивнее самих протонов: парадокс квантовой физики
Протон — одна из субатомных частиц, составляющих ядро атома. Какими бы маленькими ни были протоны, они состоят из еще более мелких элементарных частиц, известных как кварки, которые бывают разных «ароматов» или типов: странные, очаровательные, прелестные и истинные.
Обычно считается, что протон состоит из двух верхних кварков и одного нижнего кварка. Но новое исследование показывает, что все гораздо сложнее. Протоны также могут содержать очарованный кварк — элементарную частицу, масса которой в 1,5 раза превышает массу самого протона. Что еще более странно, когда протон действительно содержит очарованный кварк, тяжелая частица по-прежнему несет примерно половину массы самого протона.
Все выводы сводятся к вероятностному миру квантовой физики. Хотя очарованный кварк тяжелый, вероятность того, что он возникнет в протоне, довольно мала, поэтому большая масса и малая вероятность в основном уравновешивают друг друга. Иными словами, полная масса очарованного кварка не поглощается протоном, даже если очарованный кварк там есть.
Хотя протоны лежат в основе структуры атомов, из которых состоит вся материя, они также очень сложны. Дело в том, что физики на самом деле не знают фундаментальной структуры протонов. Квантовая физика считает, что помимо уже известных верхних и нижних кварков, другие кварки могут время от времени превращаться в протоны.
Квантовые условности
Существует шесть типов кварков. Три из них тяжелее протонов, а три — легче. Очаровательный кварк — самый легкий из тяжелой группы, поэтому исследователи хотели начать с него, чтобы выяснить, может ли протон содержать кварк тяжелее, чем он сам. Они сделали это, применив новый подход к 35-летним данным о столкновении частиц.
Чтобы узнать о структуре субатомных и элементарных частиц, исследователи сталкивают частицы друг с другом с невероятной скоростью на ускорителях частиц, таких как Большой адронный коллайдер, крупнейший в мире ускоритель атомов, расположенный недалеко от Женевы. Ученые с некоммерческой коллаборацией NNPDF собрали данные о разрушении частиц еще в 1980-х годах, включая примеры экспериментов, в которых фотоны, электроны, мюоны, нейтрино и даже другие протоны разбивались на протоны.
Глядя на обломки этих столкновений, исследователи могут реконструировать исходное состояние частиц.
Аномальные частицы
В новой работе ученые передали все эти данные о столкновениях алгоритму машинного обучения, предназначенному для поиска закономерностей без каких-либо предвзятых представлений о том, как могут выглядеть структуры. Алгоритм вернул возможные структуры и вероятность того, что они действительно могут существовать.
Исследование выявило «небольшой, но не пренебрежимо малый» шанс найти очаровательный кварк, сообщил в интервью Nature Briefing Стефано Форте, физик из Миланского университета. По словам Форте, уровень доказательств был недостаточно высоким, чтобы исследователи могли объявить о неоспоримом открытии очарованного кварка в протонах, но результаты являются «первым убедительным доказательством» того, что он может там существовать.
По словам Форте, структура протона важна, потому что для открытия новых элементарных частиц физикам придется обнаружить незначительные различия между тем, что предполагают теории, и тем, что на самом деле наблюдается. Это требует чрезвычайно точных измерений субатомных структур.
На данный момент физикам все еще нужно больше данных о неуловимом «очаровании» внутри протона. Будущие эксперименты, такие как планируемый электронно-ионный коллайдер в Брукхейвенской национальной лаборатории в Аптоне, штат Нью-Йорк, могут помочь в решении данного вопроса.