В протоне нашли внутреннее очарование

Коллаборация европейских теоретиков NNPDF сообщила о результатах поиска внутреннего очарования протона с помощью большого массива экспериментальных данных. Согласно их результатам очарованные кварки могут постоянно переносить до одного процента импульса протона с достоверностью в три стандартных отклонения. Исследование опубликовано в Nature.

Эксперименты 60-х и 70-х годов прошлого века по глубокому неупругому рассеянию, проведенные в Стэнфордском центре линейных ускорителей, стали надежным свидетельством того, что протон состоит из точечных составляющих, названных кварками. Кварки, в свою очередь, связаны друг с другом глюонами — переносчиками сильного взаимодействия. Первоначально влияние глюонов было физиками недооценено. Сейчас же они знают, что глюоны формируют треть массы и половину спина протона. Партонную модель протона (партонами называют составные части адронов) венчает концепция кваркового моря — множества постоянно рождающихся кварк-антикварковых пар. Виртуальный характер этого процесса позволяет говорить о том, что внутри протона могут рождаться самые разные кварки, причем их распределение может быть свидетельством довольно любопытных физических эффектов.

Для виртуальных процессов характерно нарушение закона сохранения энергии на время, диктуемое неопределенностью Гейзенберга. Например, это квантовое свойство разрешает рождаться парам кварк-антикварк, чья масса превышает саму массу протона. Всего таких тяжелых кварка три из шести: очарованный, топ-кварк (истинный) и боттом-кварк (прелестный). Первый из троицы — наиболее легкий, его масса, равная 1275 мегаэлектронвольт, лишь немного превышает массу протона — 938 мегаэлектронвольт. Если же некоторый процесс не нарушает закона сохранения (физики в этом случае говорят, что он «на массовой поверхности»), то его вполне можно включить в состояние системы (протона), модифицировав ее волновую функцию, согласно правилам обычной квантовой механики, что и было сделано для трех легчайших кварков и их античастиц.

Разговоры о том, что близость массы очарованного кварка к массе протона должна давать существенную поправку к его волновой функции, начались еще на заре зарождения квантовой хромодинамики — теории взаимодействия кварков и глюонов. Экспериментальные попытки ответить на этот вопрос оказались противоречивы: пока одни физики утверждали, что очарованные кварки не могут переносить и половины процента импульса протона, другие — доводили это значение до двух. Проблема усугубляется тем, что при анализе экспериментальных данных важно отделять внутренний очарованный аромат от такового, рождающегося в процессах с большой передачей импульса, которые случаются в эксперименте.

Попытаться внести ясность в эту сорокалетнюю проблему решила группа теоретиков из Англии, Италии и Нидерландов, объединившаяся в коллаборацию NNPDF под руководством Стефано Форте (Stefano Forte) из Миланского университета. Они реализовали подход, основанный на преобразовании очарованной партонной функции распределения, извлеченной из экспериментальных данных, из теории с четырьмя ароматами в теорию с тремя. Ненулевой результат этой процедуры свидетельствует о наличии внутреннего очарования в протоне. Включение в данные старых и новых ускорительных экспериментов лишь повысил значимость эффекта.

В кварковой теории структура протона кодируется с помощью распределения его импульса между всеми партонами. Другими словами, считается, что частицы в протоне существуют тогда, когда переносят часть его импульса. Физикам известны уравнения, с помощью которых можно было бы вычислить соответствующие функции, однако эта задача неподъемна для современной вычислительной техники. Единственный возможный путь их определения — это глобальный анализ данных, который теоретически связывает доли партонных импульсов с результатами экспериментов на ускорителях.

Отсутствие внутренних очарованных кварков в составе протона еще не означает, что их нельзя увидеть в экспериментальных данных. Их следы могут быть обусловлены радиационными поправками, которым подвергаются состояния с более легкими кварками. Это можно учесть, сравнивая партонные фунции распределения, формализованные через теории с тремя (three-flavour number scheme, 3FNS) и четырьмя (four-flavour number scheme, 4FNS) кварковыми степенями свободы в лагранжиане. Они преобразуются друг в друга с помощью пертурбативных условий согласования, чьи вычисления уже проделаны для третьего (next-to-next-to-leading order, NNLO) и четвертого (next-to-next-to-next-to-leading order, N³LO) порядка разложения. Следовательно, если извлечь из эксперимента очарованное распределение в 4FNS-схеме в виде свободного параметра, а потом инвертировать условия согласования, то распределение, получившееся в 3FNS-схеме, будет свободно от радиационных вкладов, вызванных большой передачей импульса. Его отличие от нуля будет доказательством существования очарованной поправки к протонной волновой функции.

Чтобы реализовать предложенную идею, авторы собрали обширный датасет, состоящий из результатов измерения 4618 сечений различных процессов с жестким рассеянием, полученных в разных лабораториях. Полученная в результате 3FNS NNLO функция распределения для очарованных кварков и антикварков обладала пиком порядка одного процента в окрестностях доли импульса протона, равной 0,4. Совместный учет собственной неопределенности вычислительной процедуры и неопределенностей, обусловленных высшими порядками разложения, для вычисления которых физики использовали 3FNS N³LO распределение, показал, что результат статистически не отличим от нуля только в диапазоне от 0,2 до 0,5 долей. Вместе с тем похожую структуру имеют и функции распределения, предсказываемые в рамках нескольких теоретических моделей, что поддерживает результаты физиков.

Чтобы проверить свои выводы, исследователи обогащали исходный датасет с помощью двух дополнительных наборов данных. Первый был получен сравнительно недавно коллаборацией LHCb, измерявшей рождение Z-бозонов, связанное с очарованными струями, в столкновениях протонов с энергией 13 тераэлектронвольт. Второй набор относился к данным коллаборации European Muon Collaboration (EMC), собранным еще в 80-х годах и служившим в прошлом главным указанием на существование внутреннего очарования у протона. Обогащение привело к тому, что статистическая значимость результата превысила на пике три стандартных отклонения, что станет поводом для всех физиков серьезно относится к этой гипотезе.

Ранее мы рассказывали, как другие физики оценили давление внутри протона.

Марат Хамадеев