S rostoucí znalostí fyziky, která popisuje přířodní děje, odehravající se všude okolo nás, roste samozřejmě i množství detailnějších otázek, které si fyzici pokládají. Mohli bychom na to nahlížet jako na jakýsi analog dunning-Krugerova efektu. Tedy, čím větší je naše znalost o dané problematice, tím více si uvědomujeme naše mezery ve vedění a tím konkrétnější a komplikovanější otázky si klademe.
V posledních několika letech je pozornost částicových fyziků upřená směrem k nalezení důkazů pro fyziku chování nad rámec již známých částic, ze kterých se skládá veškerá hmota ve vesmíru (šest druhů kvarků a šest druhů leptonů) a subatomárních sil, které určují jejich interakce, tedy nad tak zvaný Standardní model částicové fyziky. Tento model uvažuje tři ze čtyř nám známých interakcí: elektromagnetickou interakci, slabou interakci a silnou interakci. Čtvrtou, v tomto modelu nezahrnutou interakcí, je gravitační síla, která je na této škále zanedbatelná. Silná interakce je zodpovědná například za soudržnost kvarků, které pak následně tvoří proton, či neutron. Stojí za zmínku, že při vzdálenosti částic 10−15 m je silná interakce přibližně 137 krát silnější, než síla elektromagnetická a 1038 krát silnější, než gravitační síla. Slábá interakce je pak zodpovědná za radioaktivní rozpad atomů. Kdyby se skutečně podařilo nakouknout, do nám v dnešní době neznámých, zakoutí subatomární vědy, znamenalo by to odpověď na spoustu otázek moderní fyziky. Například: Jak došlo ke změně vesmíru, kde dominovala energie a radiace ve vesmír, který známe dnes, skládající se z viditelné a temné hmoty? Jaký je původ vakua? Byly všechny přírodní síly sloučeny do jedné unitární v čase Velkého třesku? Nebo třeba proč ve vesmíru exixtuje tolik temné hmoty, která nutí galaxie rotovat rychlejí, než bychom předpokládali?
Jednou z cest, jak získat odpověď na tyto výše zmíněné otázky je studium mionů. Mion je nestabilní efemerní elementární částice patřící do stejné skupiny jako elektron, tedy do skupiny leptonů. Mion je ve srovnání s elektronem asi 207 krát těžší a jeho střední životnost je 2 miliontiny sekundy. V čem ale spočívá studium těchto těžších příbuzných elektronů? Podobně jako elektrony se každý mion chová tak, jakoby v sobě uchovával malý vniřní magnet. V magnetickém poli se poloha tohoto magnetu mění, stejně tak jako poloha střelky v kompasu. Síla tohoto mionového magnetu určuje, jak moc se bude poloha mionu měnit v externím magnetickém poli. Tento fenomém je popsán číslem, které fyzici nazývají faktor g a které dokaží spočítat s velmi vysokou přesností.
Experimentálně se dá hodnota faktoru g ověřit v urychlovači částic. Urychlený paprsek mionů se pohybuje v přesně známém magnetickém poli. Magnetické pole však není jediný vstupní parameter, který bude ovlivňovat hodnotu faktoru g. Nyní se totiž dostáváme k tomu podstatnému a nejvíce zajímavému. Vakuum, ve kterém celý experiment probíhá, není nikdy zcela prázdné. Ve vakuum se ve skutečnosti vyskytují tak zvané virtuální částice, které existují pouze po velice krátký časový interval. Interakce mionů s těmito krátce žijícími částicemi ovlivňuje rovněž hodnotu faktoru g a způsobuje zpomalování nebo zrychlování jejich precese (změna polohy rotační osy mionů). Příkladem takové virtuální částice může být například foton, nebo boson. Standardní model předpovídá velmi přesně, jak velký vliv by měly mít známé částice na hodnotu faktoru g. Do chvíle, kdy přesně víme, jaké virtuální částice se ve vakuu objevují, experimentální a teoretická data by měla být ekvivalentní. Ale v okmažiku kdy teorie a praxe dává jiné výsledky, může to znamenat, že naše znalost částic, které s miony interagují nemusí být kompletní. Tedy jinými slovy může existovat částice, nebo fyzikální síla, kterou jsme doposud nedokázali detekovat a popsat.
Všechno má počátek v roce 2001, kdy bylo Národní laboratoří v Brookhavenu uskutečněno, tedy až do dnešního dne, nejpřesnější měření spinové precese mionů. Toto měření naznačovalo, že chvonání mionů by se mohlo odchylovat od Standardního modelu částicové fyziky. Pro potvrzení tohoto experimentu bylo však nutné významně zvýšit jeho citlivost.
Na tomto základě byl laboratoří Fermilab, spadající pod Ministerstvo energetiky Spojených států Amerických, zabývající se výzkumem fyziky částic s vysokou energii, sestavem experiment s názvem Mion g-2. Nová měření z experimentu Fermilabu potvrzují závěry z roku 2001 a nabízejí dokonce přesnější divergenci od předpokládaného chování, popsaného Standardním modelem.
Experimentální kombinované výsledky z Brookhavenu z roku 2001 a výsledky laboratoře Fermilab ukazují odklon od teoretické hodnoty se směrodatnou odchylkou 4,2. Jinými slovy, šance, že se jedná o pravděpodobnostní fluktuaci je stále 1:40000 a to je pro potvrzení teorie nedostačující.
Aby si mohli být vědci jistí, že mohou tato měření považovat za důkaz existence nové částice, nebo snad nového druhu interakce, je potřeba dosahnout ještě vyšší přesnosti.
V současné době byly pozorovány možné deviace od Standardního modelu i v Cernu (urychlovač LHC). Pro konečné potvrzení tohoto průlomového objevu bude potřeba dalších dat, jejijchž získání a zpracování bude pravděpodobně trvat dalších několik let. I tak je to neuvěřitelně vzrušující zprává pro celý fyzikální svět. Pokud se vše potvrdí, bude to znamenat, že můžeme začít přepisovat učebnice fyziky.
Zdroj úvodního obrázku: Brookhaven National Laboratory
Zdroje:
- https://news.fnal.gov/2021/04/first-results-from-fermilabs-muon-g-2- experiment-strengthen-evidence-of-new-physics/
- https://muon-g-2.fnal.gov/how-does-muon-g-2-work.html
- https://vms.fnal.gov/asset/detail?recid=1950114
- https://phys.org/news/2021-04-strength-muon-magnetic-field-aligns.html
- https://www.nature.com/articles/s41586-021-03418-1
Vstup do diskuze