Americká laboratoř Fermilab zveřejnila 7. 4. 2021 výsledky experimentů s elementárními částicemi, které naznačují existenci dosud neznámých částic a sil. Chystá se na poli fyziky převrat?

O rozruch ve fyzikálním světě se postarala americká laboratoř Fermilab zabývající se částicovou fyzikou a urychlovači. Mezi její aktivity patří také experimenty s neutríny, vývoj urychlovačů a s nimi spojenými technologiemi, vývoj detektorů a vědeckých výpočtů, a propojování technologií. Do popředí zájmu aktuálně vstupuje její experiment Muon g-2, sledující pohyb mionů (anglicky muon) v magnetickém poli. Tento experiment slouží k lepšímu porozumění vlastnostem mionu a jejich využití ke zkoumání standardního modelu částicové fyziky.

Muon g-2 elektromagnet při příjezdu do Fermilabu. Foto: Unsplash

V článku se podíváme, co to vlastně je standardní model, popíšeme si prováděný experiment a  zjistíme, jaký je názor dalších fyziků. Nejprve si však projdeme, jak můžeme na základě sledování pohybu objevit novou sílu.

Myšlenkový experiment: Sledováním pohybu k objevu nové síly

Dále uvedený příklad je jen jednoduchý myšlenkový experiment sloužící pouze pro ilustraci, jak může skrze sledování pohybu dojít k objevení nových sil.

Představte si, že známe gravitační sílu, známe její působení a umíme díky ní správně určit jak se bude pohybovat vržený kámen. Teď si představte, že známe částici elektron a jsme schopni ji vrhnout podobně jako kámen. Chceme zkoumat vlastnosti elektronu a sledujeme jeho pohyb. Protože známe působení gravitace, dokážeme dopředu spočítat, jaká bude trajektorie (trasa) elektronu. Zjistíme ale, že elektron se pohybuje jinak, než jsme čekali. Můžeme se tak dopátrat existence elektrické síly, která na elektricky nabitý elektron působí. Později budeme experiment opakovat již se započtením elektrického pole, ovšem elektron nyní začne navíc rotovat, protože se nám podařilo s polem elektrickým vytvořit i magnetické, a později se tak dopátráme existence magnetické síly. Od původně známé síly gravitační jsme tak díky sledování pohybu elektronu došli navíc k silám elektrické a magnetické.

Zde znovu zdůrazňuji, že se jedná o smyšlený příklad sloužící pouze k ilustraci, že samotné sledování pohybu může vést k objevu nové síly.

Svět částicové fyziky

Fyzikální svět je postaven na teoriích, které je třeba ověřovat. Při nesouladu reality s teorií je potřeba příslušnou teorii ověřit, případně opravit, doplnit či vybudovat teorii novou, která přesněji odpovídá skutečnosti. Důležité je, že teorie musí být ověřitelná. Jinak řečeno, musíte být schopni provést experiment, který ji buď potvrdí, nebo vyvrátí. Pro částicovou fyziku je touto teorií standardní model.

Standardní model částicové fyziky popisuje všechny známé elementární částice a jejich interakce prostřednictvím tří sil – elektromagnetické, slabé a silné. Gravitační sílu nezahrnuje. Teorie říká, že veškerá známá hmota ve vesmíru je složena ze šesti druhů kvarků, šesti druhů leptonů a zbylých pět částic zprostředkovává interakce. Pro kvarky a leptony navíc existují jejich antičástice, tedy částice shodných charakteristik co do velikosti (např. hmotnost), ale lišící se znaménkem jiných (např. elektrický náboj).

Standardní model částicové fyziky přehledně na jednom místě. Foto: Se souhlasem MFF UK

Nás nadále bude zajímat skupina leptonů, mezi které patří elektron, mion, tauon a jim příslušející neutrina. Pro experiment bylo užito mionů, což je zjednodušeně řečeno 207x těžší elektron. Oproti elektronu je ovšem mion nestabilní, se střední dobou života 2,197×10-6 sekundy se relativně rychle rozpadá na elektron, elektronové antineutrino a mionové neutrino.

Mion v magnetickém poli – trocha teorie

Můžeme říct, že mion má svůj vnitřní magnet. Také mu náleží moment hybnosti zvaný spin. Když mion umístíme do magnetického pole, jeho vnitřní magnet se snaží srovnat s magnetickým polem podobně jako střelka kompasu s magnetickým polem Země. Tomu ovšem zabraňuje jeho spin, který tak způsobuje jeho rotaci. Představte si obyčejnou káču na hraní, kterou roztočíte tak, že stojí na místě, ale její vrchní část opisuje kružnici. To znamená, že rotuje osa otáčení, pozorujeme takzvanou precesi.

Představte si vnitřní magnet mionu jako káču. Zdroj: Freepik

Sílu zmíněného magnetu a rychlost otáčení určuje gyromagnetický poměr, který je označován jako g, nebo také g-faktor. Na základě standardního modelu částicové fyziky lze určit, že hodnota g-faktoru pro mion je přesně 2. To by se ovšem týkalo mionu, který je vložen v magnetickém poli docela sám a nepůsobí na něj žádné jiné částice. To samozřejmě není možné a jeho hodnota se proto od 2 mírně liší (asi o desetinu procenta). Tato skutečnost vlastně leží za názvem samotného experimentu „Muon g-2“, kde g-2 opravdu znamená g mínus 2, a snaží se určit tuto odchylku. Zmíněná skutečnost je označována jako anomální magnetický moment mionu.

Ani vakuum není prázdné

Pro zajištění vhodných podmínek a omezení vlivu okolního prostředí je potřeba provádět měření ve vakuu. Ukazuje se ovšem, že ani vakuum není tak docela prázdné. Dochází v něm ke vzniku a následně velmi rychlému zániku částic. Typicky se jedná o vytvoření páru částice-antičástice, které následně anihilují. I tyto krátce se vyskytující částice působí na sledované částice a ovlivňují tak jejich pohyb. Tyto virtuální částice, které jen velmi krátce vystupují z vakua, nelze cíleně vytvářet na současných urychlovačích jako jsou ve Fermilabu či CERNu či je jejich detekce velice obtížná. Pro vědce je ale možné využít vakuum, kde mohou vznikat virtuální částice nám známé i případné dosud neobjevené, jako nástroj ke studiu elementárních částic, aniž by je museli sami vytvářet.

Could the new result from g-2 suggest a new era of #physics is coming? 🆕

With the recent results from @LHCbExperiement as well, there is growing evidence to suggest a new particle or fifth force could be waiting to be discovered. Find out more 👉 https://t.co/vI7mdKRT0q pic.twitter.com/iSyOeA3Shx

— Science and Technology Facilities Council (@STFC_Matters) April 7, 2021

Paolo Girotti pracující na vybavení pro experiment Muon g-2.

Jak to vše dát dohromady

Miony vznikají přirozeně v atmosféře, se kterou reaguje vysokoenergetické kosmické záření. V laboratorních podmínkách je můžeme získat z vysokoenergetických srážek. Vzniklé miony jsou pak umístěny v magnetickém poli a sledováním jejich pohybu lze určit g-faktor. Jak bylo řečeno, faktor je ovlivňován virtuálními částicemi. Standardní model částicové fyziky dává velice přesnou predikci, jaká by měla být hodnota g-faktoru. Srovnáním vypočtené a naměřené hodnoty pak lze dojít k různým scénářům. V případě, že se hodnoty neshodnou, budeme mít silný náznak existence částic a sil, které standardní model nezná, a že je otevřená cesta k fyzice “za” standardním modelem, že je oprávněná například myšlenka supersymetrie či teorie ohledně temné hmoty. Naproti tomu pokud by se hodnoty shodovaly, šlo by o stanovení silných limitů pro teorie, které jdou “za” standardní model. V každém případě půjde o zásadní zjištění, které nadále ovlivní naše porozumění vesmíru a určí směřování dalších experimentů.

Muon g-2 results support hints of new physics from 20 years ago | Ars Technica https://t.co/mrYC9URxXo pic.twitter.com/gagSf5EiYT

— Samir Varma (@samirvarma) April 7, 2021

Muon g-2 částicový storage ring v budově MC-1.

Nastíněný experiment byl již proveden v Brookhavenské laboratoři a výsledky byly publikovány v roce 2001. Týmu vyšel g-faktor, který nebyl ve shodě s teoreticky vypočtenou hodnotou. Chyběla ovšem dostatečná jistota k prohlášení solidního objevu. Navíc nepanovala všeobecná shoda na predikci standardního modelu. K tomu chyběly finanční prostředky, aby mohl být experiment opakován. Zůstala tak nezodpovězená otázka a rozvířená představivost fyziků.

Fermilab a experiment Muon g-2

V roce 2013 došlo k převozu hlavní části experimentu z Brookhavenské laboratoře do Fermilabu. Jedná se o tzv. storage ring. Představte si jej jako okruh, který vytváří magnetické pole pro udržení sledovaných mionů. Je vyroben z oceli, hliníku a supervodivého drátu, a má v průměru 50 stop, tedy něco před 15 metrů. Na současném experimentu spolupracuje více než 200 vědců z 35 instituců ze 7 zemí. Přesnost měření se od předchozího experimentu zvýšila čtyřikrát. Odpovídá nyní měření fotbalového hřiště s přesností, která odpovídá desetině lidského vlasu.

Experimentální zařízení, jehož hlavní částí je supravodivý magnetický storage ring z původního Brookhavenského experimentu. Foto: Unsplash

Samotný experiment začíná paprskem protonů. Urychlovače ve Fermilab dvanáctkrát za sekundu roztříští zhruba 1012 protonů nárazem do pevných terčů a vytvoří tak rozdílné typy částic. Vědci mají při tomto experimentu zájem o částice zvané piony. Ty se rychle rozpadají na miony, jejichž spin je ve shodném směru. Piony a výsledné miony jsou pomocí magnetů vedeny tunelem trojúhelníkového tvaru zvaném Muon Delivery Ring. Částice tak krouží stovky metrů, čímž se prakticky všechny piony rozpadnou na miony. Ty jsou následně vedeny do již zmíněného storage ring z Brookhavenského experimentu.

Miony obíhají okruh rychlostí blízkou rychlosti světla a jejich vnitřní magnet rotuje kolem magnetického pole. Jak miony obíhají kolem dokola, stále se rozpadají na neutrina a pozitrony (mion se záporným nábojem se rozpadá na elektron, mion s kladným nábojem – antimion – na pozitron). Nedetekovaná neutrina unikají pryč, ovšem pozitrony, které se pohybují ve stejném směru, kterým mířil magnet, když se mion rozpadl, mohou být měřeny. Množství vysokoenergetických pozitronů detekované jako funkce času, spolu s jejich energií, poskytuje veškeré informace, které vědci potřebují, aby dokázali určit, k jak velké precesi vnitřního magnetu mionů dochází.

Co říkají výsledky?

První měření probíhala od roku 2018. Mezitím jiná skupina 170 expertů prováděla komplikované práce a výpočty na základě standardního modelu. V roce 2020 publikovala jako výsledek tříleté práce novou teoretickou hodnotu magnetického momentu mionu, která ještě posílila původní nesrovnalost s Brookhavenským experimentem.

Ve středu 7. dubna 2021 skupina pracující na experimentu Muon g-2 zveřejnila své první výsledky. Jeden z výzkumníků, Reneeho Fatemiho, řekl: „Toto je silná evidence, že mion je citlivý k něčemu, co není v naší nejlepší teorii.“

První výsledky z experimentu Muon g-2 vykazují shodu s dřívějším experimentem z Brookhaven National Lab. Společně představují silný náznak, že se miony liší od předpovědi standardního modelu.

Výsledek nesouhlasí s teoreticky určenou hodnotou, je ovšem ve velmi dobré shodě s původními výsledky Brookhavenské laboratoře. Prozatím se jedná o první výsledky, které, ač vykazují slušnou přesnost – šance, že se jedná o fluktuaci dat je 1 : 40 000 -, nedosahují přesnosti, kterou vědci vyžadují, aby je prohlásili za objev. Navíc je důležité upozornit, že prozatím bylo zpracováno necelých 6 % naměřených dat.

Je všechno jen velký omyl?

Ne všichni fyzikové novým datům plně důvěřují. Například vědkyně Sabine Hossenfelderová z Frankfurtského institutu na svém twitteru sdílela, že jistě existuje možnost nové fyziky, ale že by si na ni nevsadila. Mimo to, ve stejný den, kdy byly publikovány výsledky, byla vydána práce jiné skupiny, která využila k výpočtu magnetického momentu mionu odlišnou techniku zvanou lattice calculation, a získala odlišné výsledky. Jeden z autorů této práce, Zoltan Fodor z Pelsynvánské státní univerzity, prohlásil: „Ano, tvrdíme, že neexistuje žádný rozpor mezi standardním modelem a výsledky z Brookhavenu, žádná nová fyzika.“

Re the muon g-2, let me just say the obvious: 3.3 < 3.7, 4.2 < 5, and the suspected murderer has for a long time been hadronic contributions (ie, "old" physics). Of course the possibility exists that it's new physics. But I wouldn't bet on it.

— Sabine Hossenfelder (@skdh) April 7, 2021

Také je vhodné pamatovat, že náznaky velkých objevů, které se záhy ukáží být spíše chybou, ať již lidskou nebo chybou dat, nejsou ve vědě ničím výjimečným. Jistě si mnozí vybaví zprávu z roku 2011 z CERNu o pozorování částic pohybujících se rychleji než světlo, která se později ukázala jako předčasně vydaná, nepotvrzená a chybná.

Co si z toho odnést?

Nechci, aby závěr vyzníval negativně. Především, ať již bude konečný výsledek s teoretickou hodnotou ve shodě či nikoliv, jedná se o skvělou práci s velkým dosahem. Buď potvrdí platnost naší současné teorie a nasměruje její další využívání, nebo nás přivede na stopu dosud neobjeveným částicím, což je fascinující.

Foto: Freepik

Nyní si zkrátka musíme především počkat na vyhodnocení zbylých dat. Pamatujme, že dosud je vyhodnocených jen necelých 6 %. Dále bude potřeba další nezávislý teoretický výpočet, případně kontrola a korekce těch současných.

Zdroje: 1, 2, 3, 4