Nonostante si tratti di una delle prime particelle subatomiche scoperte dalla scienza, il protone sembra riservare ancora alcune sorprese. Un nuovo studio sembra infatti suggerire che oltre ai classici quark up e down, il protone potrebbe essere composto anche da un quark charm, almeno in potenziale.
Il quark charm dentro al protone
La composizione del protone da manuale, fatta ad due quark up e un quark down, è nota dagli anni 60. Sono però decenni che gli scienziati sanno che, essendo la meccanica quantistica governata dalla probabilità, c’è la possibilità teorica che ci siano altre particelle, presenti in forma di coppia materia-antimateria, nella sua struttura.
La possibilità che questa coppia sia fatta di quark tipo charm è stata valutata ma risulta comunque strana. Il quark charm ha infatti una massa superiore a quella del protone, circa una volta e mezzo.
Gli esperimenti sono stati sempre poco conclusivi in questo senso, ma un nuovo studio, che utilizza una tecnica di analisi innovativa e una immensa mole di dati, ci ha forse portati un passo più vicino verso la soluzione del problema.
La scoperta
La collaborazione NNPDF hanno applicato un modello di machine learning per vagliare tutte le possibili strutture del protone, considerando tutti i tipi i quark noti. L’utilizzo di un algoritmo di questo tipo ha permesso di non trascurare nessuna potenziale combinazione.
Hanno poi confrontato queste strutture con i dati provenienti da più di mezzo milione di collisioni fatte nei decenni dagli acceleratori di particelle. Da questo confronto hanno calcolato che la probabilità che il protone non contenga una coppia di quark charm-anticharm è solo dello 0.3%.
Questo valore di confidenza, che in gergo è detto 3-sigma, non è ancora abbastanza alto da poter definire conclusiva la scoperta, che per convenzione si ha a 5-sigma (una probabilità su 3.5 milioni che i risultati osservati non siano attribuibili all’ipotesi iniziale).
L’ipotesi sembra confermata anche dalla lettura degli ultimi dati provenienti dall’esperimento LHCb Z-boson. La distribuzione osservata dell’inerzia del protone è più vicina a quella predetta considerando la presenza di un quark charm piuttosto che il contrario.
Poco probabile
Per la questione della massa vista all’inizio, sembra che la spiegazione sia ancora una volta nelle probabilità. Essendo molto improbabile l’osservazione di questa coppia particella-antiparticella, la grande massa in qualche molto è “diluita“, e il protone può quindi avere una massa minore di una delle sue componenti.
Se la scoperta fosse confermata da altri studi e osservazioni, potrebbe avere grosse implicazioni per moltissimi rami della fisica, che si basano sulla struttura del protone. Non possiamo quindi che attendere il contributo di altri gruppi di ricerca.
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