Protonul, o particulă regăsită în interiorul fiecărui atom, pare să aibă o structură mai complicată decât se credea anterior. Descoperirea ar putea avea ramificații pentru experimente de fizică cu particule sensibile, precum Large Hadron Collider (LHC).
Deși protonii erau considerați a fi indivizibili, în urma experimentelor cu acceleratori de particule realizate în anii 1960 s-a descoperit faptul că aceștia conțineau trei particule mai mici, denumite quarcuri. Quarcurile sunt de șase tipuri, sau iar protonul conține două quarcuri up și unul down.
Totuși, în mecanica cuantică, structura unei particule este guvernată de probabilități, ceea ce înseamnă că, teoretic, există o șansă ca alte quarcuri să apară în interiorul protonului sub formă de perechi materie-antimaterie. În urma unui experiment efectuat în cadrul European Muon Collaboration al CERN în anul 1980 s-a sugerat că protonul ar putea conține un „quarc fermecat” și echivalentul său de antimaterie, un „antiquarc fermecat”. Cu toate acestea, rezultatele au fost neconcludente și foarte dezbătute.
Deși au existat noi încercări de a identifica această componentă a protonului, diferite grupuri au obținut rezultate contradictorii și au avut dificultăți în a separa elementele intrinseci ale unui proton de mediul de înaltă energie al acceleratorilor de particule, unde fiecare tip de quarc este creat și distrus într-o succesiune rapidă.
În prezent, Juan Rojo și colegii acestuia din cadrul Universității Vrije din Amsterdam, Olanda, au găsit dovezi că o mică parte din impulsul protonului, în jur de 0,5%, provine din quarcul fermecat. „Este remarcabil că, chiar și după toate aceste decenii de studii, încă găsim noi proprietăți ale protonului și, în special, noi constituenți”, a declarat Rojo.
Pentru a izola această componentă, Rojo și echipa sa au folosit un model de învățare automată pentru a găsi structuri de protoni ipotetice constând din toate tipurile diferite de quarcuri și apoi le-au comparat cu peste 500.000 de coliziuni din lumea reală, realizate în decenii de experimente cu ajutorul acceleratoarelor de particule, inclusiv LHC.
„Această utilizare a învățării automate a fost deosebit de importantă, deoarece s-au putut genera modele la care fizicienii nu s-ar gândi neapărat, reducând șansa de măsurători părtinitoare”, a declarat Christine Aidala din cadrul Universității din Washington,
Cercetătorii au descoperit că, dacă protonul nu conține o pereche de quarc-antiquarc farmec, există doar 0,3% șanse de a vedea rezultatele pe care le-au examinat. Fizicienii numesc acest lucru un rezultat „3-sigma”, care, în mod normal, este văzut ca un semn potențial a ceva interesant. Totuși, e nevoie de mai multe cercetări pentru ca rezultatele să ajungă la nivelul de 5-sigma. Asta înseamnă că există o șansă de aproximativ 1 din 3,5 milioane ca un rezultat să fie obținut în mod accidental. În mod tradițional, un rezultat cu nivelul 5 sigma este considerat o descoperire.
Echipa a analizat rezultatele recente ale experimentului LHCb Z-boson și a modelat distribuția statistică a impulsului protonului atât în prezența, cât și în lipsa quarc-ului fermecat. Ei au descoperit faptul că modelul se potrivea mai bine cu rezultatele dacă se presupunea că protonul are un quarc fermecat. Aceasta înseamnă că oamenii de știință sunt mai încrezători în a propune prezența unui quarc fermecat decât sugerează nivelul sigma în sine. „Faptul că studii foarte diferite converg către același rezultat ne-a făcut deosebit de încrezători că rezultatele noastre au fost solide”, a declarat Rojo.
Această componentă a protonului ar putea avea ramificații și pentru alte experimente de fizică realizate în cadrul LHC, deoarece ea se bazează pe modele precise ale substructurii protonilor. „Cercetătorii din cadrul Observatorului de neutrini IceCube din Antarctica, care caută neutrini rari produși atunci când razele cosmice lovesc particulele din atmosfera Pământului, ar putea fi nevoiți să ia în considerare și această nouă structură. Probabilitatea ca o rază cosmică să afecteze un nucleu din atmosferă și să producă neutrini este destul de sensibilă la conținutul de quarcuri fermecate ale protonului”, a declarat Rojo.