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质子新发现要改写教科书了 物理系师生无法又得重新学一遍

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  • 2022-08-20 08:49:27

依照现有理论,已知的夸克共有6种,上、下、顶、底、奇和粲,每一种又有对应的反夸克。

但除了上夸克和下夸克外,后边四种因质量太大所以不稳定,一般以为很快就会衰变。

可是这一次,欧洲核子研讨安排(CERN)的科学家却表明:

发现了质子内部长期存在一对粲夸克-反粲夸克的有力依据。

并且这个依据,仍是用机器学习办法找到的。

40年难题总算找到靠谱依据

先简略介绍一下粲夸克,它是第4种被发现的夸克,排在上、下和奇之后,符号为c。

它的质量1.27 GeV/c2在6种夸克里排第三,带2/3单位的正电荷,自旋与其他夸克相同都是1/2。

从80年代开端,就有人猜想质子内部或许存在一对正反粲夸克对,但40年来一向找不到靠谱的依据。

直到这一次,NNPDF协作安排 (The NNPDF Collaboration)使用了与曾经都不同的办法。

他们没有事前对质子结构做特定假定,而是使用了机器学习——

把由一切6种夸克排列组合出来的设想质子结构全都考虑进去,再与这数十年来各大对撞机超越50万次实在粒子对撞试验数据做比较。

总算发现“质子约0.5%的动量来自正反粲夸克对”的依据,精度到达3个标准差。

也就是说假如质子中不包括一对正反粲夸克,那么只要0.3%的或许性得到这个效果。

从此今后,再画物质结构示意图,大约就要改成这样了。

说起粲夸克研讨,在粒子物理学史上还挺好事多磨的。

1974年,丁肇中领导的布鲁克海文试验与斯坦福线性加快中心两组人马,各自独立发现了包括一对粲夸克和反粲夸克的J/ψ介子。

这次发现对粒子物理发生严重影响,史称物理学中的“十一月革新”。

两年后,丁肇中与斯坦福的Burton Richter同享了诺贝尔物理学奖。

从这之后,对粲夸克的研讨开端多了起来。

到了1980年,欧洲核子研讨中心CERN的一项试验暗示质子内部也或许存在一对粲夸克和反粲夸克,称为内涵粲夸克 (Intrinstic Charm)。

但这项试验效果吧,不行准确,不足以阐明问题。

后来许多不同团队跟进研讨,提出不同的质子模型再用试验数据验证,又发生了彼此对立的效果。

40年来,学术界对研讨粲夸克的爱好是忽高忽低,谁也没能拿出有力依据。

直到这一次,在机器学习新办法协助下总算获得打破,找到内涵粲夸克存在的依据。

有不少物理学家以为,这个效果对之后再做粒子对撞试验都会发生不小的影响……

影响后续的对撞试验

在进行对撞试验时,常常会与质子打交道,而这个关于质子内部结构的研讨,很有或许会影响到后续的相关试验。

或许今后在做对撞试验都要批改质子模型时,都要把粲夸克对考虑进去了。

剑桥大学的Harry Cliffe说道:

大型强子对撞机很依靠质子子结构的准确性,因而后续的相关试验或许就得考虑粲夸克对的影响。

就比如说南极洲的IceCube中微子观测站,他们要寻觅当宇宙射线击中地球大气层中的粒子时发生的稀有中微子,这其间或许就需要考虑到质子的粲夸克对结构。

但关于这项研讨的效果,许多同行表明“契合预期”,究竟之前现已有过相关的猜测。

3个标准差的精度,在粒子物理学上一般能够算是开始依据。

要想正式被认可为一项“发现”,门槛至少是5个标准差。

在后续计划中,研讨团队也表明将进行更多的试验把精度提高到5个标准差。

到那时质子内就只要350万分之一的或许性不存在粲夸克了。

这篇Nature论文,作者署名一栏只写了一项,The NNPDF Collaboration。

这是欧洲核子研讨中心CERN旗下的一个非盈利安排,由多个国家的大学和研讨机构赞助。

详细到这次研讨,有英国爱丁堡大学的希格斯理论物理中心、意大利米兰大学Tif试验室、荷兰阿姆斯特丹自在大学物理与地理系、以及荷兰国家亚原子物理研讨所(NIKHEF)等安排参加。

论文宣布后,关于教科书被改写这事,现已有物理教师们评论起来了。

今后还给学生们教两个上夸克一个下夸克的经典模型么?

教吧,究竟考试里还得这么写。不过最新定论能够当成拓宽和评论。

而物理系的学生则奔走相告“坏了,今后得从头学了”。

关于AI与物理学家协作搞出打破性效果这个形式,也有不少人发生爱好。

实际上,数据驱动的AI for Science,正是被誉为科学研讨的下一个范式。

详细到粒子物理范畴,则更是如此。

大型粒子对撞机重复试验发生海量数据,而AI最拿手的正是从海量数据中发现新的规则。

担任这篇论文评定的高能物理学家、斯隆奖得主Christine Aidala也点评道:

机器学习的使用对这项研讨十分要害,它能够生成物理学家自己纷歧定能想到的假定,削减数据剖析中的误差。

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