用機(jī)器學(xué)習(xí)搞出的新發(fā)現(xiàn)，要改寫(xiě)物理教科書(shū)了？
長(zhǎng)久以來(lái)，質(zhì)子內(nèi)都被認(rèn)為有 3 個(gè)夸克，具體來(lái)說(shuō)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(duì)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(duì)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(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 / 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(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。
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/
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