Je to už dvacet let, co fyzikové poprvé zaznamenali neobvyklé chování částic, jimž říkají miony (anglicky „muons“, jednotné číslo „muon“). Experiment označovaný poněkud záhadným názvem Muon g-2 (čteno „g minus dvě“) ho teď potvrdil. Proběhl ve známé americké laboratoři Fermilab. Leží ve městě Batavia poblíž Chicaga. Nová měření jsou natolik zajímavá, že by mohla fyziky přimět přidat do seznamu základních sil, jimiž na sebe mohou působit hmotné objekty, ještě jednu navíc.
Vědci z laboratoře v USA tvrdí, že našli důkazy páté základní fyzikální síly |
V současnosti rozeznávají vědci čtyři. Jsou to gravitace, elektromagnetismus, silná a slabá síla. První dvě známe všichni 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 navzájem vyměňují fotony. Gravitaci by mohly přenášet částice, jimž se říká gravitony. Zatím se je ale nepodařilo objevit. Až dosud to vypadalo, že všechno, co se ve vesmíru děje, půjde vysvětlit pomocí čtyř zmíněných sil.
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. Tohle viklání popisuje číslo, jemuž fyzikové říkají g-faktor nebo jen g.
Dva a kousek
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. Vyšla 2,0032. Brzo se to podařilo vysvětlit. Když mion cestuje prostorem, čas od času vypustí foton, který hned zase pohltí.
Později fyzikové přidali další podobné děje. Vypuštěný foton se může třeba změnit na elektron a jeho antičástici pozitron. Ty se hned srazí, zaniknou a změní se zase na foton. Mion tak cestuje v oblaku rychle vznikajících a zanikajících částic.
Když chtějí vědci předpovědět hodnotu g-faktoru, musí napřed propočítat, jak ho ovlivňuje šťouchání tohoto oblaku. Pak porovnají výsledek se skutečností. Pokud se navzájem 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 také plyne název pokusu. Výraz „g-2“ znamená „to, co zůstane, když od g odečtete dvojku“.
Magnetický prstenec
Nejdůležitější část experimentu je prstenec o průměru patnáct 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 se dá spočítat, jak moc se mion v magnetickém poli viklal, tedy číslo g.
Základní myšlenka experimentu je už stará. Poprvé ho fyzikové realizovali v roce 1959. V každé nové verzi pokusu však využívají lepší přístroje a dokážou proto měřit g přesněji. Poslední verze pokusu začala v květnu 2017. Zatím se podařilo provést tři série měření. Čtvrtá dosud probíhá. Analýza dat je náročná. Vědci dosud vyhodnotili jen první sérii.
Výsledky publikovali 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.
Jen 4,2 sigma
První z nich je, že podobný výsledek mohl vzniknout i náhodou. Fyzikové srovnávají pravděpodobnost různých výsledků pokusu s Gaussovou křivkou, která má známý tvar zvonu. Šířku zvonu určuje číslo, jemuž se říká směrodatná odchylka. Označuje se malým řeckým písmenem sigma. Pravděpodobnost, že nějaký výsledek vznikl náhodou, se tak dá 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. 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.
Nový odhad
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 svoje 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 podle měst, kde sídlí většina jejích členů: Budapešť, Marseille a Wuppertal.
Každá skupina použila k výpočtu g jiný přístup. Skupina TI si ho ulehčila pomocí reálných dat 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.
