Structura internă a unui proton, mult mai apropiată de cea reală decât cea clasică...
Structura protonului nu este încă pe deplin cunoscută. Ce fel de quarkuri conține? Un nou studiu efectuat cu ajutorul inteligenței artificiale („învățarea automată”) arată că protonul ar putea conține quarcuri 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 internă. Știm că protonii sunt compuși din particule numite quarcuri. Quarcurile sunt particule elementare și fac parte din așa-numitul model standard al fizicii particulelor, teoria fizicii care descrie cam tot ce se întâmplă în lumea atomilor. În modelul standard există 6 tipuri de quarcuri: up, down, charm, strange, top și bottom.
Particulele elementare - modelul standard
Structura protonilor
Din ce fel de quarkuri sunt alcătuiți protonii?
Din câte știm, protonii ar fi compuși din trei quarcuri: două de tip „up” și unul de tip „down”. Quarcurile sunt ținute împreună în protoni prin intermediul interacțiunii nucleare tari, al cărei particule purtătoare este gluonul.
Interacțiunea nucleară tare are caracteristici foarte diferite față de cea electromagnetică: de exemplu este cu atât mai puternică cu cât particulele sunt mai departe, exact invers față de interacțiunea electromagnetică.
Faptul că protonul ar fi compus din trei quarcuri este o explicație simplificată, întrucât dacă adunăm masa celor trei quarcuri obținem o masă mult mai mică decât cea a protonului; restul este compus practic din energie, energie dată de gluoni și din perechi de quarcuri-antiquarcuri care se formează în continuu.
Cercetătorii însă se întreabă dacă în interiorul protonilor pe lângă cele mai ușoare quarcuri (up și down) există și quarcuri mai grele, strange și charm. Se știe la ora actuală că quarcurile strange ar avea un rol în structura protonilor; situația quarcului charm însă nu este clară.
Un nou studiu folosind „învățarea automată” spune că în interiorul protonilor ar exista quarcuri charm
Un nou studiu realizat de un grup de cercetători aparținând proiectului colaborativ NNPDF susține că ar fi găsit dovezi ale prezenței quarcului charm în interiorul protonilor.
Practic, cercetătorii au analizat date ale unor experimente, precum LHCb de la CERN, folosind învățarea automată 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 tare, adică cromodinamica cuantică, iar de aici au calculat care ar fi compoziția protonilor.
Quarcurile charm ar fi prezente în proton, dar ar contribui cu mai puțin de 1% la impulsul protonilor, semnificația statistică (care ne spune cât de „sigur” este rezultatul obținut) fiind de doar 3 sigma. Conține deci protonul quarcul charm?
Protonii rămân încă un mister
În ciuda acestui interesant rezultat, care ar sugera că structura protonului este foarte complexă și că pe lângă quarcurile up și down ar putea conține alte tipuri de quarcuri, precum quarcul charm, nu toți sunt convinși fizicienii că rezultatul acestui studiu, publicat într-un articol în revista Nature, ne-ar demonstra că într-adevăr protonii conțin quarcuri 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 quarcurile charm să nu mai fie prezente.
În viitor sunt necesare noi analize de date atât în cadrul proiectelor de cercetare de la acceleratoare de particule, dar și folosind telescoapele de neutrini (particulele care conțin quarcuri charm în atmosfera terestră ar genera neutrini cu caracteristici identificabile). Se va ajunge astfel la o concluzie mai solidă legată de prezența quarcurilor charm în protoni și, în general, legat de structura acestora.
