物理學(xué)家用AI改寫教科書！質(zhì)子中發(fā)現(xiàn)新的夸克，可能性高達(dá)99.7%

夢晨 2022-08-19 14:49:25 來源：量子位

夢晨 Pine 發(fā)自 凹非寺
量子位 | 公眾號(hào) QbitAI

用機(jī)器學(xué)習(xí)搞出的新發(fā)現(xiàn)，要改寫物理教科書了？

長久以來，質(zhì)子內(nèi)都被認(rèn)為有3個(gè)夸克，具體來說是2個(gè)上夸克和1個(gè)下夸克。

但根據(jù)Nature最新一篇論文，以后恐怕要改了：

5個(gè)。

再加上一對粲夸克?（Charm Quark）和反粲夸克。

按照現(xiàn)有理論，已知的夸克共有6種，上、下、頂、底、奇和粲，每一種又有對應(yīng)的反夸克。

但除了上夸克和下夸克外，后面四種因質(zhì)量太大所以不穩(wěn)定，一般認(rèn)為很快就會(huì)衰變。

但是這一次，歐洲核子研究組織（CERN）的科學(xué)家卻表示：

發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子內(nèi)部長期存在一對粲夸克-反粲夸克的有力證據(jù)。

而且這個(gè)證據(jù)，還是用機(jī)器學(xué)習(xí)方法找到的。

40年難題終于找到靠譜證據(jù)

先簡單介紹一下粲夸克，它是第4種被發(fā)現(xiàn)的夸克，排在上、下和奇之后，符號(hào)為c。

它的質(zhì)量1.27 GeV/c2在6種夸克里排第三，帶2/3單位的正電荷，自旋與其他夸克一樣都是1/2。

從80年代開始，就有人猜測質(zhì)子內(nèi)部可能存在一對正反粲夸克對，但40年來一直找不到靠譜的證據(jù)。

直到這一次，NNPDF合作組織?（The NNPDF Collaboration）使用了與以前都不同的方法。

他們沒有事先對質(zhì)子結(jié)構(gòu)做特定假設(shè)，而是使用了機(jī)器學(xué)習(xí)——

把由所有6種夸克排列組合出來的假想質(zhì)子結(jié)構(gòu)全都考慮進(jìn)去，再與這數(shù)十年來各大對撞機(jī)超過50萬次真實(shí)粒子對撞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做比較。

終于發(fā)現(xiàn)“質(zhì)子約0.5%的動(dòng)量來自正反粲夸克對”的證據(jù)，精度達(dá)到3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差。

也就是說如果質(zhì)子中不包含一對正反粲夸克，那么只有0.3%的可能性得到這個(gè)結(jié)果。

從此以后，再畫物質(zhì)結(jié)構(gòu)示意圖，大概就要改成這樣了。

說起粲夸克研究，在粒子物理學(xué)史上還挺一波三折的。

1974年，丁肇中領(lǐng)導(dǎo)的布魯克海文實(shí)驗(yàn)與斯坦福線性加速中心兩組人馬，各自獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了包含一對粲夸克和反粲夸克的J/ψ介子。

這次發(fā)現(xiàn)對粒子物理產(chǎn)生重大影響，史稱物理學(xué)中的“十一月革命”。

兩年后，丁肇中與斯坦福的Burton Richter共享了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

從這之后，對粲夸克的研究開始多了起來。

到了1980年，歐洲核子研究中心CERN的一項(xiàng)試驗(yàn)暗示質(zhì)子內(nèi)部也可能存在一對粲夸克和反粲夸克，稱為內(nèi)在粲夸克?（Intrinstic Charm）。

但這項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果吧，不夠精確，不足以說明問題。

后來許多不同團(tuán)隊(duì)跟進(jìn)研究，提出不同的質(zhì)子模型再用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，又產(chǎn)生了相互矛盾的結(jié)果。

40年來，學(xué)術(shù)界對研究粲夸克的興趣是忽高忽低，誰也沒能拿出有力證據(jù)。

直到這一次，在機(jī)器學(xué)習(xí)新方法幫助下終于取得突破，找到內(nèi)在粲夸克存在的證據(jù)。

有不少物理學(xué)家認(rèn)為，這個(gè)結(jié)果對之后再做粒子對撞實(shí)驗(yàn)都會(huì)產(chǎn)生不小的影響……

影響后續(xù)的對撞實(shí)驗(yàn)

在進(jìn)行對撞實(shí)驗(yàn)時(shí)，經(jīng)常會(huì)與質(zhì)子打交道，而這個(gè)對于質(zhì)子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究，很有可能會(huì)影響到后續(xù)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

或許以后在做對撞實(shí)驗(yàn)都要修正質(zhì)子模型時(shí)，都把粲夸克對考慮進(jìn)去了。

劍橋大學(xué)的Harry Cliffe說道：

大型強(qiáng)子對撞機(jī)很依賴質(zhì)子子結(jié)構(gòu)的精確性，因此后續(xù)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)可能就得考慮粲夸克對的影響。

就比如說南極洲的IceCube微中子觀測站，他們要尋找當(dāng)宇宙射線擊中地球大氣層中的粒子時(shí)產(chǎn)生的稀有中微子，這其中或許就需要考慮到質(zhì)子的粲夸克對結(jié)構(gòu)。

但對于這項(xiàng)研究的成果，很多同行表示“符合預(yù)期”，畢竟之前已經(jīng)有過相關(guān)的預(yù)測。

3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的精度，在粒子物理學(xué)上一般可以算是初步證據(jù)。

要想正式被認(rèn)可為一項(xiàng)“發(fā)現(xiàn)”，門檻至少是5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差。

在后續(xù)計(jì)劃中，研究團(tuán)隊(duì)也表示將進(jìn)行更多的實(shí)驗(yàn)把精度提高到5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差。

到那時(shí)質(zhì)子內(nèi)就只有350萬分之一的可能性不存在粲夸克了。

這篇Nature論文，作者署名一欄只寫了一項(xiàng)，The NNPDF Collaboration。

這是歐洲核子研究中心CERN旗下的一個(gè)非盈利組織，由多個(gè)國家的大學(xué)和研機(jī)構(gòu)資助。

具體到這次研究，有英國愛丁堡大學(xué)的希格斯理論物理中心、意大利米蘭大學(xué)Tif實(shí)驗(yàn)室、荷蘭阿姆斯特丹自由大學(xué)物理與天文系、以及荷蘭國家亞原子物理研究所(NIKHEF)等組織參與。

論文發(fā)表后，對于教科書被改寫這事，已經(jīng)有物理老師們討論起來了。

以后還給學(xué)生們教兩個(gè)上夸克一個(gè)下夸克的經(jīng)典模型么？

教吧，畢竟考試?yán)镞€得這么寫。不過最新結(jié)論可以當(dāng)成拓展和討論。

而物理系的學(xué)生則奔走相告“壞了，以后得重新學(xué)了”。

對于AI與物理學(xué)家協(xié)作搞出突破性成果這個(gè)模式，也有不少人產(chǎn)生興趣。

實(shí)際上，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的AI for Science，正是被譽(yù)為科學(xué)研究的下一個(gè)范式。

具體到粒子物理領(lǐng)域，則更是如此。

大型粒子對撞機(jī)反復(fù)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，而AI最擅長的正是從海量數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)新的規(guī)律。

負(fù)責(zé)這篇論文評(píng)審的高能物理學(xué)家、斯隆獎(jiǎng)得主Christine Aidala也評(píng)價(jià)道：

機(jī)器學(xué)習(xí)的應(yīng)用對這項(xiàng)研究非常關(guān)鍵，它可以生成物理學(xué)家自己不一定能想到的假設(shè)，減少數(shù)據(jù)分析中的偏差。

論文地址：
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04998-2

參考鏈接：
[1]https://www.nature.com/articles/d41586-022-02186-w
[2]https://www.newscientist.com/article/2334076-physicists-surprised-to-discover-the-proton-contains-a-charm-quark/
[3]https://www.volkskrant.nl/wetenschap/proton-bevat-een-wonderlijk-extra-deeltje-de-charm-quark~bbc2c0b9/