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【環(huán)球新要聞】物理學(xué)家用AI改寫(xiě)教科書(shū) 質(zhì)子中發(fā)現(xiàn)新的夸克,可能性高達(dá)99.7%

時(shí)間:2022-08-19 16:43:09 來(lái)源: 量子位


但根據(jù)Nature最新一篇論文,以后恐怕要改了:

5個(gè)。


(資料圖片僅供參考)

再加上一對(duì) 粲夸克(Charm Quark) 和 反粲夸克

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(zhǎng)期存在一對(duì)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(jiǎn)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/c 2 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(kāi)始,就有人猜測(cè)質(zhì)子內(nèi)部可能存在一對(duì)正反粲夸克對(duì),但40年來(lái)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(méi)有事先對(duì)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(lái)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(lái)各大對(duì)撞機(jī)超過(guò) 50萬(wàn)次真實(shí)粒子對(duì)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(lái)自正反粲夸克對(duì)”的證據(jù),精度達(dá)到3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差。

也就是說(shuō) 如果質(zhì)子中不包含一對(duì)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(huà)物質(zhì)結(jié)構(gòu)示意圖,大概就要改成這樣了。

說(shuō)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(duì)粲夸克和反粲夸克的J/ψ介子。

這次發(fā)現(xiàn)對(duì)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(duì)粲夸克的研究開(kāi)始多了起來(lái)。

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(duì)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(shuō)明問(wèn)題。

后來(lái)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(lái),學(xué)術(shù)界對(duì)研究粲夸克的興趣是忽高忽低,誰(shuí)也沒(méi)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(duì)之后再做粒子對(duì)撞實(shí)驗(yàn)都會(huì)產(chǎn)生不小的影響……

影響后續(xù)的對(duì)撞實(shí)驗(yàn)

在進(jìn)行對(duì)撞實(shí)驗(yàn)時(shí),經(jīng)常會(huì)與質(zhì)子打交道,而這個(gè)對(duì)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(duì)撞實(shí)驗(yàn)都要修正質(zhì)子模型時(shí),都把粲夸克對(duì)考慮進(jìn)去了。

劍橋大學(xué)的Harry Cliffe說(shuō)道:

大型強(qiáng)子對(duì)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(duì)的影響。

就比如說(shuō)南極洲的IceCube微中子觀測(cè)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(duì)結(jié)構(gòu)。

但對(duì)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(guò)相關(guān)的預(yù)測(cè)。

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(mén)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(wàn)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(xiě)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(guó)家的大學(xué)和研機(jī)構(gòu)資助。

具體到這次研究,有英國(guó)愛(ài)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(guó)家亞原子物理研究所 (NIKHEF)等組織參與。

論文發(fā)表后,對(duì)于教科書(shū)被改寫(xiě)這事,已經(jīng)有物理老師們討論起來(lái)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(xiě)。不過(guò)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(duì)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(duì)撞機(jī)反復(fù)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生海量數(shù)據(jù),而AI最擅長(zhǎng)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(duì)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。


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