Structura protonului nu este încă pe deplin cunoscută; ce fel de quarkuri conține? Un nou studiu, efectuat cu ajutorul metodei de „machine learning”, arată cum că protonul ar putea conține quarkuri de tip charm. Nu toată lumea este însă de acord.

Protonii

Protonii, împreună cu neutronii, formează nucleele atomilor. Cunoaștem la ora actuală circa 120 de elemente chimice – care se deosebesc între ele tocmai prin numărul de protoni (egal cu numărul de electroni) pe care îl conțin. Protonii nu sunt însă particule elementare – adică fără structură. Știm că protonii sunt compuși din particule numite quarkuri. Quarkurile sunt particule – cel puțin la ora actuală – elementare și fac parte din așa-numitul Model Standard al fizicii particulelor – cel care descrie cam tot ce se întâmplă în lumea atomilor. În Modelul Standard există 6 quarkuri: up, down, charm, strange, top și bottom.

Structura protonilor

Din ce fel de quarkuri sunt alcătuiți protonii?

Din câte știm o explicație simplă este cum că protonii ar fi compuși din trei quarkuri: două de tip „up” și unul de tip „down”. Quarkurile sunt legate în protoni de interacțiunea nucleară puternică – purtătorul căreia (echivalentul fotonilor) este așa-numitul gluon. Interacțiunea nucleară puternică are caracteristici foarte diferite față de cea electromagnetică: de exemplu este cu atât mai puternică cu cât particulele se îndepărtează – exact invers față de interacțiunea electromagnetică.

Faptul că protonul ar fi compus din trei quarkuri este o explicație simplificată, întrucât dacă adunăm masa celor trei quarkuri obținem o masă mult mai mică decât cea a protonului; restul este compus practic din energie – energie dată de gluoni și din perechi de quarkuri-antiquarkuri care se formează în continuu. Cercetătorii însă se întreabă dacă în interiorul protonilor pe lângă cele mai ușoare quarkuri (up și down) există și quarkuri mai grele – strange și charm. Se știe la ora actuală că quarkurile strange ar avea un rol în structura protonilor; situația quarkului charm însă nu este clară.

Un nou studiu: machine learning spune că în interiorul protonilor ar exista quarkuri charm

Un nou studiu realizat de un grup de cercetători aparținând colaborării NNPDF susține că ar fi găsit dovezi ale prezenței quarkului charm în interiorul protonilor. Practic cercetătorii acestei colaborări au analizat date ale unor experimente, precum LHCb de la CERN, folosind metode de machine learning în studiul ciocnirilor de protoni și folosind așa-numita PDF (parton distribution functions). Au calculat pe bază probabilistică cum au loc interacțiunile între protoni, ținând cont de teoria care descrie interacțiunea nucleară puternică, adică cromodinamica cuantică, și de aici au calculat care ar fi compoziția protonilor. Quarkurile charm ar fi prezente în proton, dar ar contribui mai puțin de 1% la impulsul protonilor și semnificația statistică (care ne spune cât de „sigur” este rezultatul obținut) este de doar 3 sigma. Conține deci protonul quarkul charm?

Protonii rămân încă un mister

În ciuda acestui interesant rezultat – care ar sugera cum că structura protonului este foarte complexă și că pe lângă quarkurile up și down ar putea conține alte tipuri de quarkuri – precum charm – nu toți sunt convinși că rezultatul acestui studiu, publicat într-un articol în revista Nature, ne-ar demonstra cum că într-adevăr protonii conțin quarkuri charm. O semnificație statistică de doar 3 sigma nu este încă suficientă pentru a fi convinși; ar fi nevoie de cel puțin 5 sigma, întrucât cu doar trei sigma s-ar putea să fie vorba despre o fluctuație statistică. Adică este posibil că această analiză de date aplicată pe un număr mai mare de date să dea un rezultat în care quarkurile charm să nu mai fie prezente. În viitor noi analize de date atât de la experimente la acceleratoare de particule dar și cu telescoape de neutrini – particulele care conțin quarkuri charm în atmosfera terestră ar genera neutrini cu caracteristici  identificabile – sunt necesare. Se va ajunge astfel la o concluzie mai solidă legată de prezența quarkurilor charm în protoni și, în general, legat de structura fascinanților protoni.

Credit imagine: CERN

Rubrică realizată de Cătălina Curceanu, prim cercetător în domeniul fizicii particulelor elementare şi al fizicii nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Roma, Italia) şi Luminiţa Costea, profesoară de Fizică la Colegiul Naţional „Mihai Viteazul”, Sfântu Gheorghe