Η κατανόηση του τι ισχύει για το charm ενός πρωτονίου θα μπορούσε να βελτιώσει τον τρόπο που παίρνουμε πληροφορίες από τους επιταχυντές σωματιδίων
Κάθε ένα από αυτά τα υποατομικά σωματίδια είναι ένας “πολτός” τριών ελαφρύτερων σωματιδίων που ονομάζονται κουάρκ: δύο up κουάρκ και ένα down κουάρκ. Αλλά οι φυσικοί εικάζουν εδώ και δεκαετίες ότι τα πρωτόνια μπορεί επίσης να φιλοξενούν πιο ογκώδη κουάρκ, που ονομάζονται “εγγενή” charm κουάρκ. Μια νέα ανάλυση υποστηρίζει την ιδέα αυτή, όπως φαίνεται σε πρόσφατη σχετική δημοσίευση στο περιοδικό Nature.
Τα κουάρκ charm είναι κατά πολύ βαρύτερα από τα κουάρκ up ή down. Τόσο βαρύτερα ώστε, παροδόξως, «μπορούμε να έχουμε ένα συστατικό του πρωτονίου, το οποίο είναι βαρύτερο από το ίδιο το πρωτόνιο», δηλώνει ο θεωρητικός φυσικός Juan Rojo του Vrije Universiteit Amsterdam.
Ο Rojo και οι συνεργάτες του συνδύασαν ποικίλα πειραματικά αποτελέσματα και θεωρητικούς υπολογισμούς, ελπίζοντας να αποκαλύψουν το υποθετικό charm του πρωτονίου. Η μέτρηση αυτού του χαρακτηριστικού αποτελεί το κλειδί για την πλήρη κατανόηση ενός από τα πιο σημαντικά σωματίδια στο σύμπαν, λέει ο Rojo.
Οι φυσικοί γνωρίζουν πως όσο πιο βαθιά διερευνάται ένα πρωτόνιο, τόσο πιο περίπλοκο φαίνεται. Όταν τα πρωτόνια παρατηρούνται σε πολύ υψηλές ενέργειες, όπως συμβαίνει σε συγκρούσεις επιταχυντών σωματιδίων, σαν τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (Large Hadron Collider – LHC) στη Γενεύη, περιέχουν μία ανομοιογενή ομάδα από μεταβατικά κουάρκ και τα αντισωματίδιά τους, τα αντικουάρκ. Αυτού τους είδους τα “εξωγενή” κουάρκ δημιουργούνται όταν τα γκλουόνια (σωματίδια που βοηθούν τα κουάρκ να “κολλήσουν” μέσα στα πρωτόνια), διασπώνται σε ζεύγη κουάρκ-αντικουάρκ.
Τα εξωγενή κουάρκ δεν είναι θεμελιώδη για την ταυτότητα του πρωτονίου. Αποτελούν, απλά, το αποτέλεσμα του πώς συμπεριφέρονται τα γκλουόνια σε υψηλές ενέργειες. Όμως τα κουάρκ charm ενδεχομένως να υπάρχουν μέσα στα πρωτόνια ακόμη και σε χαμηλές ενέργειες, με έναν πιο επίμονο, εδραιωμένο τρόπο.
Στην κβαντική φυσική, τα σωματίδια δεν καταλαμβάνουν μια συγκεκριμένη κατάσταση έως ότου μετρηθούν – αντιθέτως, περιγράφονται από πιθανότητες. Εάν τα πρωτόνια περιέχουν εγγενή charm κουάρκ, τότε υπάρχει μία μικρή πιθανότητα να βρούμε μέσα σε ένα πρωτόνιο -όχι μόνο δύο κουάρκ up και ένα κουάρκ down- αλλά επίσης ένα κουάρκ και αντικουάρκ charm. Με δεδομένο ότι τα πρωτόνια δεν αποτελούν καθορισμένες συλλογές μεμονωμένων σωματιδίων, η μάζα ενός πρωτονίου δεν είναι το απλό άθροισμα των μερών του. Έτσι, αυτή μικρή πιθανότητα σημαίνει ότι η πλήρης μάζα των κουάρκ και αντικουάρκ charm δεν προστίθεται στο βάρος του πρωτονίου, εξηγώντας το πώς μπορεί το πρωτόνιο να περιέχει σωματίδια βαρύτερα από τον εαυτό του.
Η επιστημονική ομάδα, χρησιμοποιώντας χιλιάδες μετρήσεις από πειράματα στον LHC -και σε άλλους επιταχυντές σωματιδίων- σε συνδυασμό με θεωρητικούς υπολογισμούς, βρήκε στοιχεία για το εγγενές charm στο πρωτόνιο, εντός του στατιστικού διαστήματος 3σ (σ – τυπική απόκλιση). Οι ερευνητές αναφέρουν πως τα εγγενή charm κουάρκ φέρουν το 0,6%, περίπου, της ορμής ενός πρωτονίου.
Όμως, για ένα οριστικό αποτέλεσμα συνήθως απαιτείται διάστημα 5σ. «Τα δεδομένα και η ανάλυση δεν είναι ακόμη επαρκή… για να πάμε από τα “στοιχεία για την ύπαρξη” στην “ανακάλυψη του” εγγενούς charm», εξηγεί η Ramona Vogt, θεωρητική φυσικός στο Lawrence Livermore National Laboratory της Καλιφόρνια, η οποία συνέγραψε για το Nature, ένα άρθρο για τη μελέτη.
Επιπροσθέτως, δεν μπορούμε να ορίσουμε ξεκάθαρα τι σημαίνει ο ορισμός «εγγενές charm», κάτι που παρεμποδίζει τη σύγκριση του νέου ευρήματος με προηγούμενα αποτελέσματα από διαφορετικές ομάδες. «Προηγούμενες μελέτες βρήκαν διαφορετικά όρια στο εγγενές charm, εν μέρει επειδή χρησιμοποίησαν διαφορετικούς ορισμούς», λέει ο θεωρητικός φυσικός Wally Melnitchouk του Jefferson Lab στο Newport News.
Αξιοσημείωτο είναι πως η νέα ανάλυση ενσωματώνει αποτελέσματα από τη συνεργασία LHCb, η οποία παρουσίασε μετρήσεις δυνητικά συνεπείς με το εγγενές chsrm στο πρωτόνιο, στο περιοδικό Physical Review Letters της 25ης Φεβρουαρίου. Η συμπερίληψη αυτών των δεδομένων στην ανάλυση είναι «το πραγματικά νέο», λέει ο θεωρητικός φυσικός C.-P. Yuan του Κρατικού Πανεπιστημίου του Μίσιγκαν στο East Lansing. Όμως ο Yuan έχει επιφυλάξεις σχετικά με τους υπολογισμούς που χρησιμοποιούνται για την ερμηνεία των δεδομένων. «Δεν γίνεται αυτό που σήμερα θα ονομάζαμε ανάλυση αιχμής.»
Οι επιστήμονες πρέπει να εντοπίσουν το περιεχόμενο του εγγενούς charm του πρωτονίου, για να κατανοήσουν καλύτερα τα αποτελέσματα στον LHC και σε άλλες εγκαταστάσεις που συνθλίβουν πρωτόνια μεταξύ τους και παρατηρούν τι προκύπτει. Οι ερευνητές πρέπει να είναι σε θέση να μετρήσουν όλες τις λεπτομέρειες των αντικειμένων που συγκρούονται. Ίσως βοηθήσουν δεδομένα από μελλοντικούς επιταχυντές, όπως ο σχεδιαζόμενος “Electron-Ion Collider”, λέει ο θεωρητικός φυσικός Tim Hobbs του Fermilab στη Batavia.
Παραπομπές: The NNPDF Collaboration. Evidence for intrinsic charm quarks in the proton. Nature. Vol. 608, August 18, 2022, p. 483. doi: 10.1038/s41586-022-04998-2. LHCb Collaboration. Study of Z bosons produced in association with charm in the forward region. Physical Review Letters. Vol. 128, February 25, 2022, p. 082001. doi: 10.1103/PhysRevLett.128.082001. R. Vogt. Evidence at last that the proton has intrinsic charm. Nature. Vol. 608, August 18, 2022, p. 477.
Πηγή: https://www.sciencenews.org/
