Přidáme k silám, jimiž na sebe působí hmotné objekty, jednu navíc?

Až dosud se zdálo, že vše, co se ve vesmíru děje, lze vysvětlit čtyřmi silami – gravitací, elektromagnetismem, silnou a slabou sílu. Miony, částice podobné elektronům, z americké laboratoře Fermilabu na to možná mají jiný názor.

Radek John 27.4.2021
Laboratoř Fermilab ve městě Batavia u Chicaga. | na serveru Lidovky.cz | aktuální zprávy Laboratoř Fermilab ve městě Batavia u Chicaga. | foto: extremetech.com
Laboratoř Fermilab ve městě Batavia u Chicaga.

Je to 20 let, co fyzici poprvé zaznamenali neobvyklé chování částic, jimž říkají miony (anglicky „muons“, jednotné číslo „muon“). Experiment označovaný poněkud záhadným názvem Muon g-2 („g minus dvě“) ho teď potvrdil. Proběhl v americké laboratoři Fermilab ve městě Batavia u Chicaga. Nová měření jsou natolik zajímavá, že by mohla fyziky přimět přidat do seznamu základních sil, jimiž na sebe působí hmotné objekty, jednu navíc. V současnosti rozeznávají vědci čtyři – gravitaci, elektromagnetismus, silnou a slabou sílu.

První dvě známe z běžného života. Druhé dvě jsou exotičtější. Působí totiž jen na velmi malé vzdálenosti, srovnatelné s velikostí atomového jádra. Minimálně tři síly, elektromagnetismus, silná a slabá, mají částici, která je přenáší. Například elektromagnetické působení probíhá tak, že si částice hmoty vyměňují fotony. Gravitaci by mohly přenášet částice, jimž se říká gravitony. Zatím se je ale nepodařilo objevit.

Až dosud se zdálo, že vše, co se ve vesmíru děje, půjde vysvětlit čtyřmi zmíněnými silami. Miony z Fermilabu na to ale možná mají jiný názor. Jsou to částice velmi podobné elektronům, jen 207krát těžší. Stejně jako elektrony se v magnetickém poli chovají jako maličké kompasové střelky, které ukazují k severu. Navíc se i trochu viklají do stran. Toto viklání popisuje číslo, jemuž fyzikové říkají g-faktor nebo jen g.

Důležité viklání

Když vědci g-faktor mionů poprvé vyčíslili, vypadalo to, že je rovný přesně dvěma. Po čase ale vyšlo najevo, že jeho hodnota je o chlup vyšší – 2,0032. Brzy se to podařilo vysvětlit. Když mion cestuje prostorem, čas od času vypustí foton, který hned zase pohltí. Později fyzici přidali další podobné děje. Vypuštěný foton se může třeba změnit na elektron a jeho antičástici pozitron. Ty se hned srazí, zaniknou a změní zase na foton. Mion tak cestuje v oblaku rychle vznikajících a zanikajících částic.

Nejdůležitější část experimentu je prstenec o průměru 15 metrů obklopený silným magnetem. V prstenci obíhají vysokou rychlostí miony. Každý stihne několik stovek koleček. Pak se rozpadne na jiné částice. Produkty rozpadu zachytí detektory okolo prstence. Ze směru jejich letu lze spočítat, jak se mion v magnetickém poli viklal, tedy číslo g.

Když chtějí vědci předpovědět hodnotu g-faktoru, musejí napřed propočítat, jak jej ovlivňuje šťouchání tohoto oblaku. Pak porovnají výsledek se skutečností. Pokud se liší, mohlo by to znamenat, že se na hodnotě čísla g podílejí ještě nějaké částice, jež současná teorie nezná. Tyto částice by mohly přenášet novou základní sílu. Fyziky tedy zajímá část čísla g, která je větší než dva. Z toho vyplývá název pokusu. Výraz „g-2“ znamená „to, co zůstane, když od g odečtete dvojku“.

Nejdůležitější část experimentu je prstenec o průměru 15 metrů obklopený silným magnetem. V prstenci obíhají vysokou rychlostí miony. Každý stihne několik stovek koleček. Pak se rozpadne na jiné částice. Produkty rozpadu zachytí detektory okolo prstence. Ze směru jejich letu lze spočítat, jak se mion v magnetickém poli viklal, tedy číslo g. Základní myšlenka experimentu je stará. Poprvé ho fyzikové uskutečnili v roce 1959. V každé nové verzi pokusu však používají lepší přístroje, a dokážou proto měřit g přesněji.

Nejnovější verze pokusu začala v květnu 2017. Zatím se podařilo provést tři série měření. Čtvrtá probíhá. Analýza dat je náročná. Vědci dosud vyhodnotili jen první sérii. Výsledky zveřejnili v časopise Physical Review Letters a oznámili ve speciálním webináři 7. dubna. Číslo g jim vyšlo 2,00233184122. Teorie předpovídá hodnotu 2,00233183620. Měření a odhad se tedy začínají lišit na osmém místě za desetinnou čárkou. Mohlo by to stačit, ale má to dva háčky.

Dva háčky

Prvním háčkem je, že výsledek mohl vzniknout i náhodou. Fyzici srovnávají pravděpodobnost různých výsledků pokusu s Gaussovou křivkou, která má tvar zvonu. Jeho šířku určuje číslo, jemuž se říká směrodatná odchylka. Označuje se malým řeckým písmenem sigma. Pravděpodobnost, že nějaký výsledek vznikl náhodou, proto lze popsat v jejích násobcích. Čím vyšší úroveň sigma, tím menší pravděpodobnost a tím lépe. Za hranici, od které si vědci mohou započítat objev, se považuje hodnota pět sigma.

Prvním háčkem je, že výsledek mohl vzniknout i náhodou. Fyzici srovnávají pravděpodobnost různých výsledků pokusu s Gaussovou křivkou, která má tvar zvonu. Jeho šířku určuje číslo, jemuž se říká směrodatná odchylka. Označuje se malým řeckým písmenem sigma. Pravděpodobnost, že nějaký výsledek vznikl náhodou, proto lze popsat v jejích násobcích. Čím vyšší úroveň sigma, tím menší pravděpodobnost a tím lépe.

Odpovídá to pravděpodobnosti asi jedna ku 3,5 milionu. Fyzikové z pokusu Muon g-2 mají dosud jen 4,2 sigma. Odpovídá to pravděpodobnosti asi jedna ku 40 tisícům. Zatím je to málo. Jak ale víme, pokus ještě neskončil. Na druhý háček upozornil web Quantamagazine.org. Stejný den, kdy badatelé z Fermilabu zveřejnili své měření čísla g, vyšel v časopisu Nature jeho nový teoretický odhad. Jako na potvoru vychází blíž hodnotě z Fermilabu: 2,00233183908.

Odhad, se kterým porovnávali vědci z Fermilabu své výsledky, spočítala mezinárodní skupina fyziků, která si v překladu říká Teoretická iniciativa mion g-2 (TI). Novou hodnotu g spočítala jiná skupina vědců, která si říká BMW. Je to dle měst, kde sídlí většina jejích členů – Budapešť, Marseille a Wuppertal.

Každá skupina použila k výpočtu g jiný přístup. Skupina TI si jej ulehčila reálnými daty z velkého urychlovače LHC v CERN. Iniciativa BMW zapojila několik superpočítačů. Empirická data nepotřebovala. Kdyby byl odhad BMW správnější než TI, mohlo by to znamenat, že experiment ve Fermilabu nahání celou dobu duchy. Novou základní sílu by bylo třeba hledat jinde.

Diskuse neobsahuje žádné příspěvky.

Autor

Radek John

Další autorovy články