Das Proton ist eines der subatomaren Teilchen, die den Kern eines Atoms bilden. So klein Protonen auch sind, sie bestehen aus noch kleineren subatomaren Teilchen, die als Quarks bekannt sind und in vielen Geschmacksrichtungen oder Typen vorkommen: oben, unten, charmant, seltsam, wahr und schön.
Ein Proton wird normalerweise als aus zwei Up-Quarks und einem Down-Quark zusammengesetzt angesehen. Aber eine neue Studie zeigt, dass die Dinge viel komplizierter sein können.
Protonen können auch ein Charmed Quark enthalten, ein Elementarteilchen, dessen Masse die Masse des Protons selbst übersteigt. Seltsamer noch, wenn das Proton ein verzaubertes Quark enthält, trägt das schwere Teilchen immer noch etwa die Hälfte der Masse des Protons.
Die ganze Entdeckung läuft auf die probabilistische Welt der Quantenphysik hinaus. Obwohl ein Charmed-Quark schwer ist, ist die Wahrscheinlichkeit, dass es in einem Proton auftritt, recht gering, sodass sich eine große Masse und eine geringe Wahrscheinlichkeit im Grunde gegenseitig aufheben.
Mit anderen Worten, die Gesamtmasse des Charmed-Quarks wird nicht vom Proton absorbiert, selbst wenn das Charmed-Quark vorhanden ist.
Obwohl Protonen den Kern der Struktur von Atomen bilden, aus denen alle Materie besteht, sind sie auch sehr komplex.
Physiker kennen die grundlegende Struktur von Protonen nicht wirklich. Die Quantenphysik glaubt, dass sich neben den bekannten Up- und Down-Quarks auch andere Quarks von Zeit zu Zeit in Protonen verwandeln können, sagt Stefano Forte, Physiker an der Universität Mailand und Autor eines neuen Artikels, der in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurde.
Es gibt sechs Arten von Quarks. Drei von ihnen sind schwerer als Protonen und drei sind leichter. Das Charmed-Quark ist das leichteste der schweren Gruppe, also wollten die Forscher damit beginnen, um zu sehen, ob das Proton ein Quark enthalten könnte, das schwerer ist als es selbst. Sie taten dies, indem sie einen neuen Ansatz auf 35 Jahre Partikelkollisionsdaten anwandten.
Um mehr über die Struktur subatomarer und elementarer Teilchen zu erfahren, lassen Forscher an Teilchenbeschleunigern wie dem Large Hadron Collider, dem größten Beschleuniger der Welt in der Nähe von Genf, Teilchen mit unglaublicher Geschwindigkeit aufeinanderprallen.
Wissenschaftler der NNPDF-Kollaboration sammeln diese Partikelzerstörungsdaten seit den 1980er Jahren. Anhand der Spuren von Kollisionen können Physiker den Ausgangszustand der Teilchen rekonstruieren.
In der neuen Studie speisten die Wissenschaftler all diese Kollisionsdaten in einen maschinellen Lernalgorithmus, der darauf ausgelegt war, nach Mustern zu suchen, ohne vorgefasste Vorstellungen davon zu haben, wie die Strukturen aussehen könnten.
Der Algorithmus lieferte die möglichen Strukturen und die Wahrscheinlichkeit, dass sie tatsächlich existieren könnten.
Die Studie ergab eine kleine, aber nicht zu vernachlässigende Chance, ein verzaubertes Quark zu finden, sagen Wissenschaftler. Das Beweisniveau war nicht hoch genug für Forscher, um die unbestreitbare Entdeckung eines verzauberten Quarks in Protonen anzukündigen, sagen sie, aber die Ergebnisse sind der erste eindeutige Beweis dafür, dass es dort existieren könnte.
Laut Stefano Forte ist die Struktur des Protons wichtig, denn um neue Elementarteilchen zu entdecken, müssen Physiker feine Unterschiede zwischen dem, was Theorien vermuten, und dem, was tatsächlich beobachtet wird, finden. Dies erfordert äußerst präzise Messungen subatomarer Strukturen.
Im Moment brauchen die Physiker noch mehr Daten über den schwer fassbaren Charme im Inneren des Protons. Zukünftige Experimente könnten ihnen dabei helfen.
Die Studie wurde in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.
2022-08-22 16:02:41
Autor: Vitalii Babkin