物理学家惊讶地发现质子包含一个魅夸克

教科书的一个质子的描述说它包含三个更小的粒子------两个上夸克和一个下夸克------但一项新的分析已经发现了它也持有一个魅夸克的强证据

新科学家By Alex Wilkins

17 August 2022

PHYSICS 

艺术家的一个质子的印象 - 大红色球体是上夸克，大蓝色球体是一个下夸克。CERN

质子是在每个原子的心脏发现的粒子，似乎有一个比传统上教科书中给出的更复杂的结构。这一发现可能对大型强子对撞机（LHC）等敏感粒子物理实验有结果。

虽然质子曾经被认为是不可分割的，但1960年代粒子加速器的实验揭示了它们含有三个更小的叫夸克的粒子。夸克以六种类型或风味而来，质子包含两个上夸克和一个下夸克。

但在量子力学中，一个粒子的结构被概率规制，这意味着理论上有一个其他夸克有可能在质子内部以物质-反物质对的形式出现。1980年欧洲核子研究中心欧洲μ介子合作组织的一项实验暗示质子可能含有一个魅夸克及它的反物质等价物，一个反魅，但结果不是结论性的，并被激烈争论。

有来识别质子的魅成分的进一步尝试，但不同的小组发现了相互矛盾的结果，并且从粒子加速器的高能环境分离出一个质子的内在构建块有困难，在粒子加速器中每种夸克都被快速连续地创造和破坏。

现在，荷兰阿姆斯特丹Vrije大学的Juan Rojo和他的同事们已经发现了一小部分质子的动量约0.5%）来自魅夸克的证据。Rojo说，“值得注意的是甚至在这些几十年的研究后，我们仍然发现质子的新属性，特别是新的成分”。

为了隔离魅成分，Rojo和他的团队使用一种机器学习模型提出构成所有不同风味的夸克的假设质子结构，然后将它们与来自数十年粒子加速器实验包括LHC的50多万次真实世界碰撞进行了比较。

华盛顿大学的Christine Aidala说，使用这种机器学习是特别的重要，因为它可以生成物理学家不一定由他们自己想到的模型，降低有偏见的测量的机会。

研究人员发现了如果质子不包含一个魅- 反魅夸克对，只有0.3%的看到他们检查的结果的机会。物理学家叫这个为“3西格玛”结果，这通常被视为一个某些有兴趣东西的潜在迹象。需要做更多的工作来将结果提升到5西格玛水平，这意味着大约350万分之一的侥幸结果，这传统上是一个发现的门槛。

该团队观察了来自LHCb Z玻色子实验的最新结果，并建模了质子动量的有和没有魅夸克的统计分布。他们发现了如果质子被假设有一个魅夸克，模型与结果更好匹配。这意味着他们更有信心提出一个魅夸克的存在，而不是被西格玛水平本身暗示。Rojo说，“非常不同的研究集聚在相同的结果上的事实使我们特别有信心我们的结果是可靠的”。

剑桥大学的Harry Cliffe说，“鉴于这种粒子的普遍性以及我们已经知道关于它有多长，我们实际上还有很多不了解关于它的子结构的，因此这绝对的重要的，”。

Cliffe说，质子的魅成分也可能对LHC的其他物理实验有结果，因为它们依赖于质子子结构的精确模型。Rojo说，南极洲的冰立方中微子天文台寻当宇宙射线撞击地球大气层中粒子时产生的罕见中微子，可能还需要考虑这种新结构。他说，“一个宇宙射线撞击一个大气层源自核并产生中微子的可能性对质子的魅含量是非常敏感的”。

期刊参考: Nature, DOI: 10.1038/s41586-022-04998-2

https://www.newscientist.com/article/2334076-physicists-surprised-to-discover-the-proton-contains-a-charm-quark/