# Ученые с помощью ИИ обнаружили тяжелые кварки внутри протона

Источник: https://www.youtube.com/watch?v=TbzZIMQC6vk
Канал: PBS Space Time
Опубликовано: 21.06.2023

---

Команда ученых из международной коллаборации NNPDF совершила прорыв в исследовании субатомного мира, применив искусственный интеллект для анализа данных тридцатилетней давности о столкновениях частиц. Результаты анализа указывают на то, что классическая модель строения протона может быть неполной, а внутри него скрываются компоненты, которые тяжелее самого протона. О деталях этого открытия и о том, как машинное обучение помогает физикам заглянуть внутрь материи, рассказал ведущий научно-популярного канала PBS Space Time Мэтт О'Дауд (Matt O'Dowd).

## 🔬 Загадка субатомного мира: из чего на самом деле состоит протон?
[[JUMP:0:00]]

Все окружающие нас объекты состоят из клеток, молекул и атомов, внутри которых находятся электроны, протоны и нейтроны. Долгое время в науке доминировало представление, что протон — это простая структура, состоящая ровно из трех элементарных частиц, называемых кварками. Из протонов и нейтронов состоит практически вся видимая материя во Вселенной, будь то одиночные ядра водорода или сложные элементы периодической таблицы. 

Однако реальная внутренняя структура протона до сих пор остается глубокой загадкой для физиков. Только в конце 1960-х годов ученые экспериментально подтвердили, что протоны не являются неделимыми, а состоят из более мелких компонентов. Последние данные, полученные с помощью искусственного интеллекта, заставляют пересмотреть эту привычную картину. Теперь у науки есть веские основания полагать, что в определенных условиях протон может состоять из пяти кварков.

## 🎯 Искусство рассеяния: как физики «видят» субатомные структуры
[[JUMP:1:15]]

Чтобы понять, как ученые исследуют мельчайшие масштабы природы, необходимо разобраться в физике экспериментов по рассеянию частиц. В повседневной жизни человек каждую секунду неосознанно проводит подобные опыты: фотоны света отскакивают от предметов и попадают в глаза, а мозг анализирует эту информацию и строит цветную картину мира. Для изучения субатомного мира обычный свет не подходит — физикам требуются частицы с гораздо более высокой энергией. Чем выше энергия рассеиваемой частицы, тем более мелкие объекты она позволяет зафиксировать.

История подобных исследований началась в 1911 году с классического эксперимента Эрнеста Резерфорда. Он облучал тонкую золотую фольгу потоком альфа-частиц (ядер гелия). Резерфорд обнаружил, что большая часть частиц проходит сквозь фольгу беспрепятственно, но малая их доля отклоняется на огромные углы, сталкиваясь с чем-то очень маленьким и плотным. Так было доказано, что атом почти полностью пуст, а вся его масса сосредоточена в крошечном центральном ядре. С тех пор технологии развились до создания электронных микроскопов, где программное обеспечение реконструирует структуру образцов по отклонению пучков электронов.

## 💥 Разбить, чтобы понять: открытия Стенфордского ускорителя
[[JUMP:3:27]]

Поскольку электроны являются точечными квантовыми объектами, длина их волны напрямую зависит от энергии: чем выше энергия, тем короче волна. Для детального изучения внутренней структуры протона требуется пучок электронов колоссальной мощности. При низких энергиях электрон просто отскочит от протона как от единого целого, но при достижении определенного порога он буквально пробивает оболочку и рассеивается на внутренних компонентах. В процессе такого жесткого столкновения протон полностью разрушается, однако для физиков это единственный способ узнать его состав.

Этот эксперимент впервые удалось осуществить в 1950-х и 1960-х годах на базе Стенфордского линейного ускорителя (SLAC). Физики разогнали электроны до рекордных для того времени энергий и направили их на протоны. Опубликованные в 1968 году результаты анализа траекторий отклонения электронов доказали: внутри протона находятся три точечные частицы. Их свойства в точности совпали с теоретической моделью кварков, предложенной ранее физиками Марри Гелл-Манном и Джорджем Цвейгом. 

Так сформировалась каноническая модель протона:

* Два верхних (up) кварка;
* Один нижний (down) кварк;
* Три различных цветовых заряда, связывающих кварки между собой посредством глюонов — переносчиков сильного ядерного взаимодействия.

Для нейтрона схема аналогична, но в нем содержатся два нижних и один верхний кварк.

## 🌊 Море кварков: бурлящий океан энергии внутри хаоса
[[JUMP:5:00]]

По мере создания все более мощных ускорителей ученые получали изображение субатомного мира с экстремально высоким разрешением. То, что открылось исследователям внутри протона, оказалось гораздо сложнее статичной картинки из трех кварков. Внутреннее пространство протона представляет собой бурлящий конгломерат энергии — плотную сеть глюонов, которые непрерывно распадаются на пары виртуальных кварков и антикварков, а затем мгновенно аннигилируют, снова превращаясь в глюоны. В теоретической физике эта динамическая система получила название «море кварков» (quark sea).

Несмотря на кажущийся хаос, в этой системе строго соблюдаются законы сохранения электрического, спинового и цветового зарядов. Если зафиксировать состояние «моря кварков» в один миг, все виртуальные частицы и античастицы полностью компенсируют друг друга. Единственным неизменным остатком будут те самые три базовых кварка, которые физики называют валентными. Валентные кварки непрерывно обмениваются энергией с виртуальным морем и даже могут аннигилировать с его компонентами, но на их месте мгновенно возникают новые идентичные частицы. Именно эти валентные кварки и зафиксировали первые эксперименты в SLAC, однако современные мощности позволили увидеть более тонкие структуры.

## 🍉 Дыня в коробке с яблоками: парадокс очарованного кварка
[[JUMP:6:22]]

При облучении протонов пучками сверхвысокой энергии физики заметили аномалию: примерно в 1% случаев при столкновениях фиксировались следы очарованного кварка (charm quark). Очарованный кварк относится ко второму поколению элементарных частиц и обладает уникальной особенностью — его масса на 36% превышает массу всего протона, в котором он находится. Мэтт О'Дауд приводит наглядное сравнение: это все равно что открыть закрытую коробку с яблоками весом в один килограмм и обнаружить внутри дыню весом 1,3 килограмма.

Физика объясняет этот парадокс через знаменитое уравнение Эйнштейна $E = mc^2$, постулирующее эквивалентность массы и энергии. Ученые разделяют частицы внутри протона на два типа:

* **Внутренние (intrinsic) частицы** — компоненты, изначально находящиеся в структуре протона (валентные кварки, глюоны и виртуальное море);
* **Внешние (extrinsic) частицы** — новые материальные объекты, которые создаются непосредственно в момент столкновения за счет колоссальной кинетической энергии влетающего электрона.

Долгое время считалось, что тяжелые очарованные кварки являются исключительно внешними частицами. Однако ранние низкоэнергетические эксперименты оставили намеки на то, что очарованные кварки могут присутствовать в протоне изначально, даже когда энергии сталкивающихся частиц недостаточно для их искусственного создания.

## 🔮 Квантовая магия и ограничения математических моделей
[[JUMP:9:14]]

Объяснить существование тяжелого кварка внутри легкого протона без столкновений позволяет принцип неопределенности Гейзенберга. Согласно законам квантовой механики, система может «одолжить» энергию из вакуума для создания массивной пары частица-античастица, если эти частицы аннигилируют и исчезнут за экстремально короткий промежуток времени. Чем массивнее рожденные частицы, тем меньше времени им отведено на существование. По этой причине внутри протона на неуловимые мгновения может возникать пара из очарованного кварка и очарованного антикварка. В эти моменты протон фактически трансформируется из трехкварковой системы в пятикварковую.

Присутствие столь тяжелых виртуальных компонентов не делает сам протон тяжелее, так как измеряемая масса протона представляет собой усредненное значение всей его внутренней энергии за время измерения. Эту теоретическую гипотезу «внутреннего очарования» (intrinsic charm) еще в 1980 году выдвинул физик Стэнли Бродский (Stanley Brodsky). 

Однако доказать ее математически или экспериментально оказалось невероятно сложно из-за специфики квантовой хромодинамики (КХД). Математические расчеты КХД относительно просты при высоких энергиях благодаря методу, известному как теория возмущений. Но на низких энергиях, когда нужно описать спокойное состояние протона без столкновений, этот математический хак перестает работать, из-за чего физики сталкиваются с хаосом из множества разных моделей, дающих одинаковые предсказания.

## 🤖 Искусственный интеллект против человеческих предубеждений
[[JUMP:13:08]]

Разрешить затянувшийся спор о внутреннем строении протона помогли технологии искусственного интеллекта. Ученые из международной коллаборации NNPDF применили принципиально новый подход: вместо последовательного выдвижения и тестирования отдельных человеческих гипотез они доверили эту работу нейросети. Ученые обучили нейросеть анализировать колоссальный массив данных, собранных в ходе экспериментов по столкновению протонов за последние 30 лет.

Главное преимущество ИИ заключалось в отсутствии ограничений рамками какой-то одной физической модели. Нейросеть смогла просчитать сотни тысяч возможных конфигураций внутреннего устройства протона одновременно. В то время как группе ученых требовались годы на проверку пары гипотез, алгоритм за несколько дней перебрал тысячи вариантов в поисках модели, максимально точно соответствующей реальным экспериментальным данным. Кроме того, машина полностью исключила человеческую предвзятость, когда физик подсознательно пытается подогнать результаты под свою любимую теорию.

## 📊 Три сигмы: победа или статистическая случайность?
[[JUMP:14:39]]

Результат работы нейросети оказался сенсационным: алгоритм выявил конфигурацию, включающую в себя внутренний очарованный кварк, и эта модель описывает накопленные за 30 лет данные рассеяния значительно лучше любой из существующих человеческих теорий. Тем не менее, в научном сообществе это открытие пока официально считается предварительным.

Команда NNPDF заявляет о достижении статистической значимости на уровне трех сигм ($3\sigma$). На языке статистики это означает, что существует вероятность 1 к 100 000, что нейросеть обнаружила ложную закономерность из-за случайного шума в данных. Для официального провозглашения фундаментального открытия в физике элементарных частиц требуется достижение уровня пяти сигм ($5\sigma$), где вероятность случайной ошибки составляет ничтожные 1 к 3,5 миллиона. 

Поскольку в мире проводится огромное количество экспериментов, ложные результаты на уровне трех сигм случаются регулярно. Чтобы окончательно подтвердить или опровергнуть наличие «дыни в коробке с яблоками», физикам придется провести еще множество столкновений частиц. Главный вывод, по мнению Мэтта О'Дауда, заключается в том, что машинное обучение становится незаменимым инструментом фундаментальной науки, способным генерировать и проверять гипотезы со скоростью, недоступной человеку.