Протон может содержать меньшую частицу, которая тяжелее самого протона

Новое исследование предполагает, что протоны могут иметь больше «очарования», чем думали ученые.

Протон — одна из субатомных частиц, составляющих ядро ​​атома. Какими бы маленькими ни были протоны, они состоят из еще более мелких элементарных частиц, известных как кварки, которые бывают разных «ароматов» или типов: верхние, нижние, очарованные, странные, истинные и прелестные.

Обычно считается, что протон состоит из двух верхних кварков и одного нижнего кварка. Но новое исследование показывает, что все может быть гораздо сложнее.

Протоны также могут содержать очарованный кварк — элементарную частицу, масса которой превышает массу самого протона. Что еще более странно, когда протон действительно содержит очарованный кварк, тяжелая частица по-прежнему несет примерно половину массы протона.

Все открытие сводится к вероятностному миру квантовой физики. Хотя очарованный кварк тяжелый, вероятность того, что он возникнет в протоне, довольно мала, поэтому большая масса и малая вероятность в основном уравновешивают друг друга.

Иными словами, полная масса очарованного кварка не поглощается протоном, даже если очарованный кварк там есть.

Хотя протоны лежат в основе структуры атомов, из которых состоит вся материя, они также очень сложны.

Физики на самом деле не знают фундаментальной структуры протонов. Квантовая физика считает, что помимо известных верхних и нижних кварков, другие кварки могут время от времени превращаться в протоны, говорит Стефано Форте, физик из Миланского университета и автор новой статьи, опубликованной в журнале Nature.

Существует шесть типов кварков. Три из них тяжелее протонов, а три легче. Очарованный кварк — самый легкий из тяжелой группы, поэтому исследователи хотели начать с него, чтобы выяснить, может ли протон содержать кварк тяжелее, чем он сам. Они сделали это, применив новый подход к 35-летним данным о столкновении частиц.

Чтобы узнать о структуре субатомных и элементарных частиц, исследователи сталкивают частицы друг с другом с невероятной скоростью на ускорителях частиц, таких как Большой адронный коллайдер, крупнейший в мире ускоритель, расположенный недалеко от Женевы.

Ученые из коллаборации NNPDF собрали эти данные о разрушении частиц начиная еще с 1980-х годов. Глядя на следы столкновений, физики могут реконструировать исходное состояние частиц.

В новом исследовании ученые передали все эти данные о столкновениях алгоритму машинного обучения, предназначенному для поиска закономерностей без каких-либо предвзятых представлений о том, как могут выглядеть структуры.

Алгоритм вернул возможные структуры и вероятность того, что они действительно могут существовать.

Исследование выявило «небольшой, но не пренебрежимо малый» шанс найти очарованный кварк, говоря ученые. По их словам, уровень доказательств был недостаточно высоким, чтобы исследователи могли объявить о неоспоримом открытии очарованного кварка в протонах, но результаты являются «первым убедительным доказательством» того, что он может там существовать.

По словам Стефано Форте, структура протона важна, потому что для открытия новых элементарных частиц физикам придется обнаружить незначительные различия между тем, что предполагают теории, и тем, что на самом деле наблюдается. Это требует чрезвычайно точных измерений субатомных структур.

На данный момент физикам все еще нужно больше данных о неуловимом «очаровании» внутри протона. Будущие эксперименты могут помочь им в этом.

Исследование было опубликовано в журнале Nature.