.jpg)
انطباع الفنان عن البروتون - الكرات الحمراء الكبيرة هي كواركات علوية والكرة الزرقاء الكبيرة كوارك سفلي.سيرن.
تصف نظرية القوة القوية البروتون على أنه يحتوي على ثلاثة جسيمات أصغر - كواركان علويان وكوارك سفلي - لكن تحليلًا جديدًا وجد دليلًا قويًا على أنه يحتوي أيضًا على كوارك ساحر أو فاتن (charm quark).
يبدو أن البروتون ، وهو جسيم موجود في قلب كل ذرة ، له بنية أكثر تعقيدًا مما يُعطى تقليديًا في الكتب المدرسية. يمكن أن يكون لهذا الاكتشاف تداعيات على تجارب فيزياء الجسيمات الحساسة مثل مصادم الهادرونات الكبير (LHC).
بينما كان يُعتقد في السابق أن البروتونات غير قابلة للتجزئة ، كشفت التجارب التي أُجريت على مسرعات الجسيمات في الستينيات أنها تحتوي على ثلاثة جسيمات أصغر تسمى الكواركات. تأتي الكواركات في ستة أنواع ، أو نكهات ، ويحتوي البروتون على كواركين علويين وكوارك سفلي واحد.
هل يمكن أن يكشف المصادم LHC عن قوة جديدة للطبيعة؟
لكن في ميكانيكا الكم ، تخضع بنية الجسيم للاحتمالات ، مما يعني أن هناك فرصة نظريًا لأن تظهر كواركات أخرى داخل البروتون في شكل أزواج من المادة والمادة المضادة. أشارت تجربة في European Muon Collaboration في CERN في عام 1980 إلى أن البروتون قد يحتوي على كوارك ساحر وما يعادله من المادة المضادة ، لكن النتائج كانت غير حاسمة ومناقشتها ساخنة.
كانت هناك محاولات أخرى لتحديد مكون سحر البروتون ، لكن المجموعات المختلفة وجدت نتائج متضاربة ووجدت صعوبة في فصل اللبنات الأساسية للبروتون عن البيئة عالية الطاقة لمسرعات الجسيمات ، حيث يتم إنشاء كل نوع من الكواركات وتدميرها في تتابع سريع.
الآن ، وجد Juan Rojo من جامعة Vrije في أمستردام في هولندا وزملاؤه دليلًا على أن جزءًا صغيرًا من زخم البروتون ، حوالي 0.5 في المائة ، يأتي من الكوارك الساحر. يقول روجو: "من اللافت للنظر أنه حتى بعد كل هذه العقود من الدراسة ، ما زلنا نعثر على خصائص جديدة للبروتون ، وعلى وجه الخصوص ، مكونات جديدة".
لعزل مكون السحر ، استخدم Rojo وفريقه نموذج التعلم الآلي للتوصل إلى هياكل بروتونية افتراضية تتكون من جميع النكهات المختلفة للكواركات ثم قارنها بأكثر من 500000 اصطدام في العالم الحقيقي من عقود من تجارب مسرعات الجسيمات ، بما في ذلك في LHC.
كان استخدام التعلم الآلي هذا مهمًا بشكل خاص ، كما تقول كريستين أيدالا من جامعة واشنطن ، لأنه يمكن أن يولد نماذج لا يفكر فيها الفيزيائيون بالضرورة بأنفسهم ، مما يقلل من فرصة القياسات المتحيزة.
وجد الباحثون أنه إذا لم يكن البروتون يحتوي على زوج كوارك ساحر ومضاد له ، فهناك فرصة 0.3٪ فقط لرؤية النتائج التي تم فحصها. يطلق الفيزيائيون على هذه النتيجة اسم "3 سيجما" ، والذي يُنظر إليه عادةً على أنه علامة محتملة لشيء مثير للاهتمام. هناك حاجة إلى مزيد من العمل لتعزيز النتائج إلى مستوى 5-sigma ، مما يعني أن هناك فرصة واحدة من كل 3.5 مليون لنتيجة حظ ، والتي تعد تقليديا عتبة الاكتشاف.
نظر الفريق في النتائج الأخيرة من تجربة LHCb Z-boson وصمم التوزيع الإحصائي لزخم البروتون سواء مع أو بدون كوارك ساحر. وجدوا أن النموذج يطابق النتائج بشكل أفضل إذا افترض أن البروتون يحتوي على كوارك ساحر. هذا يعني أنهم أكثر ثقة في اقتراح وجود كوارك ساحر مما يوحي به مستوى سيجما في حد ذاته. يقول روجو: "حقيقة أن الدراسات المختلفة جدًا تتقارب على نفس النتيجة جعلتنا على وجه الخصوص واثقين من أن نتائجنا كانت قوية".
يقول هاري كليف من جامعة كامبريدج: "بالنظر إلى مدى انتشار هذا الجسيم في كل مكان والمدة التي عرفناها عنه ، لا يزال هناك الكثير الذي لا نفهمه بالفعل حول بنيته التحتية ، لذلك هذا مهم بالتأكيد".
يقول كليف إن عنصر سحر البروتون يمكن أن يكون له أيضًا تداعيات لتجارب فيزيائية أخرى في مصادم الهادرونات الكبير ، لأنها تعتمد على نماذج دقيقة من البنية التحتية للبروتون. يقول روجو إن مرصد IceCube Neutrino في القارة القطبية الجنوبية ، والذي يبحث عن النيوترينوات النادرة التي تنتج عندما تصطدم الأشعة الكونية بجسيمات في الغلاف الجوي للأرض ، قد يحتاج أيضًا إلى أخذ هذا الهيكل الجديد في الاعتبار. يقول: "إن احتمال تأثير شعاع كوني على نواة الغلاف الجوي وإنتاج نيوترينوات حساس جدًا لمحتوى سحر البروتون".
المصدر : Nature volume 608, pages483–487 (2022)