En studie ledd av professor Chen Xurong vid Institute of Modern Physics (IMP) vid den kinesiska vetenskapsakademin (CAS) har gett nya insikter om ursprunget till protonmassa. Ur en experimentell synvinkel föreslog forskarna att inverkan av tunga kvarkar på protonmassan kunde vara större än vad forskarna först trodde. Resultaten publicerades i Physical Review D den 27 februari.

Nukleoner, som består av protoner och neutroner, bidrar till mer än 99 % av universums observerbara massa. De underliggande mekanismerna för nukleonmassa är intrikat kopplade till fenomen som kvantspåranomali, färginneslutning och dynamisk kiral symmetribrytning. Att undersöka ursprunget till nukleonmassa är därför ett viktigt forskningsämne i studier av nukleonstruktur och kvantkromodynamik.

I tidigare studier har det postulerats att massan av kvarkar som finns i protoner till övervägande del härstammar från dess beståndsdelar kvarkar:två uppkvarkar och en nedkvarkar, med bidragen från andra kvarkar som anses vara försumbara. Nyligen genomförda undersökningar har föreslagit möjlig närvaro av tyngre kvarkarter inuti protoner. Ändå finns det inga tillräckliga direkta experimentella bevis för att bekräfta den betydande inverkan av tunga kvarkar (konstig kvark, charmkvark och skönhetskvark) på protonmassan.

I den här studien, genom att etablera ett samband mellan protonernas kvantanomalienergi och den totala sigmatermen (inklusive bidrag från lätta och tunga kvarkar till protonmassan), extraherade forskare vid IMP sigmatermen från experimentella data med vektormeson nära tröskelfoto- produktion.

De avslöjade en större än förväntat sigmaterm av tunga kvarkar, cirka 337 MeV (dipolpassning) och 455 MeV (exponentiell passning), vilket utgör 36%–48% av den totala protonmassan (938 MeV). Den statistiska signifikansen för värdet som inte är noll (exponentiell passning) når cirka sju standardavvikelser (motsvarande en sannolikhet på 99,999999999744%).

Dessutom bekräftade användningen av data från två experimentella grupper, med Kolmogorov-Smirnov-testmetoden, kompatibiliteten hos sigma-termen extraherad från båda datamängderna.

Den här studien ger nya insikter för framtida undersökningar av protonmassans ursprung och ger nya observerbara uppgifter för forskning om de kommande elektron-jonkolliderarna (EIC).

Mer information: Wei Kou et al, Unraveling proton strangeness:Determination of the strangeness sigma term with statistic significance, Physical Review D (2024). DOI:10.1103/PhysRevD.109.036034

Tillhandahålls av Chinese Academy of Sciences