Teilchenphysik: Eine überraschende Entdeckung enthüllt ein Charm-Quark im Inneren eines Protons

Die Lehrbuchbeschreibung des Protons besagt, dass es drei kleinere Teilchen enthält – zwei Up-Quarks und ein Down-Quark – aber eine neue Analyse findet starke Hinweise darauf, dass es auch ein Charm-Quark enthält

von Alex Wilkin

Es scheint, dass das Proton, ein Teilchen im Herzen jedes Atoms, eine viel komplexere Struktur hat, als sie traditionell in Lehrbüchern angegeben wird. Die Entdeckung könnte Auswirkungen auf empfindliche Teilchenphysik-Experimente wie den Large Hadron Collider (LHC) haben.

Während Protonen früher für unteilbar gehalten wurden, zeigten Experimente mit Teilchenbeschleunigern in den 1960er Jahren, dass sie drei kleinere Teilchen, sogenannte Quarks, enthalten. Quarks gibt es in sechs Typen oder Geschmacksrichtungen, und ein Proton enthält zwei Up-Quarks und ein Down-Quark.

Aber in der Quantenmechanik wird die Teilchenstruktur von Wahrscheinlichkeiten bestimmt, was bedeutet, dass es eine theoretische Chance gibt, dass andere Quarks in Form von Materie-Antimaterie-Paaren innerhalb des Protons erscheinen. Ein Experiment bei der European Muon Collaboration am CERN im Jahr 1980 legte nahe, dass ein Proton ein Charm-Quark und sein Antimaterie-Äquivalent, die Antimaterie, enthalten könnte, aber die Ergebnisse waren nicht schlüssig und führten zu heftigen Debatten.

Es gab andere Versuche, die Komponente der Protonenmagie zu bestimmen, aber verschiedene Gruppen kamen zu widersprüchlichen Ergebnissen und haben Schwierigkeiten, die Bausteine ​​des Protons von der hochenergetischen Umgebung von Teilchenbeschleunigern zu trennen, wo jede Art von Quark erzeugt und zerstört wird Schneller Erfolg. .

Jetzt haben Juan Rojo von der Vrije-Universität Amsterdam in den Niederlanden und seine Kollegen Beweise dafür gefunden, dass ein winziger Bruchteil des Impulses eines Protons, etwa 0,5 %, vom Charm-Quark stammt. „Bemerkenswert ist, dass wir selbst nach all diesen Jahrzehnten der Forschung immer noch neue Eigenschaften des Protons und insbesondere neue Komponenten finden“, sagt Rogo.

Um die magische Komponente zu isolieren, verwendeten Rojo und sein Team ein maschinelles Lernmodell, um hypothetische Protonenstrukturen zu entwickeln, die aus all den verschiedenen Geschmacksrichtungen von Quarks bestehen, und verglichen sie dann mit mehr als 500.000 realen Kollisionen aus jahrzehntelangen Teilchenbeschleunigerexperimenten. auch am LHC.

Dieser Einsatz des maschinellen Lernens sei besonders wichtig, sagt Christine Aidala von der University of Michigan in Ann Arbor, weil damit Modelle generiert werden können, an die Physiker nicht unbedingt denken, wodurch die Wahrscheinlichkeit verzerrter Messungen verringert wird.

Die Forscher fanden heraus, dass, wenn ein Proton kein Charm- und Antisense-Quark-Paar enthält, die Wahrscheinlichkeit, die von ihnen untersuchten Ergebnisse zu sehen, nur 0,3 % beträgt. Physiker nennen dieses Ergebnis “3 Sigma”, was normalerweise als mögliches Zeichen für etwas Interessantes angesehen wird. Es ist mehr Arbeit erforderlich, um die Ergebnisse auf ein 5-Sigma-Niveau zu bringen, was bedeutet, dass die Wahrscheinlichkeit eines zufälligen Ergebnisses bei 1 zu 3,5 Millionen liegt, was traditionell die Schwelle der Entdeckung darstellt.

Das Team betrachtete die jüngsten Ergebnisse des LHCb-Z-Boson-Experiments und modellierte die statistische Verteilung des Protonenimpulses mit und ohne Charm-Quark. Sie fanden heraus, dass das Modell besser zu den Ergebnissen passt, wenn das Proton ein Charm-Quark enthalten soll. Das bedeutet, dass sie zuversichtlicher auf die Existenz eines Charm-Quarks schließen lassen, als das Sigma-Niveau selbst vermuten lässt. „Die Tatsache, dass so unterschiedliche Studien zu demselben Ergebnis kamen, machte uns besonders zuversichtlich, dass unsere Ergebnisse robust sind“, sagt Rogo.

„Angesichts dessen, wie allgegenwärtig dieses Partikel ist und wie lange wir davon wissen, gibt es immer noch vieles, was wir über seine zugrunde liegende Struktur nicht wirklich verstehen, also ist dies definitiv wichtig“, sagt Harry Cliff von der University of Cambridge.

Das Element der Protonenmagie könnte auch Auswirkungen auf andere Physikexperimente am Large Hadron Collider haben, sagt Cliff, da sie auf genauen Modellen der Protoneninfrastruktur beruhen. Rogo sagt, dass das IceCube Neutrino-Observatorium in der Antarktis, das nach seltenen Neutrinos sucht, die entstehen, wenn kosmische Strahlung mit Partikeln in der Erdatmosphäre kollidiert, diese neue Struktur möglicherweise ebenfalls berücksichtigen muss. „Die Möglichkeit, dass ein kosmischer Strahl auf den atmosphärischen Kern auftrifft und Neutrinos produziert, ist sehr empfindlich gegenüber dem magischen Inhalt der Protonen“, sagt er.

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