Na výsledky experimentu vedci čakali vyše dvadsať rokov. Magnetické vlastnosti miónu by mohli ovplyvňovať neznáme častice či sily.
Ilustračný obrázok. Fyzikálne merania opäť ukázali, že častica zvaná mión sa nespráva tak, ako predpovedá štandardný model. Zdroj: iStockphoto.com
Na výsledky fyzikálneho experimentu zo začiatku apríla vedci čakali vyše dvadsať rokov. Celý aparát predtým dokonca preniesli po diaľniciach krížom cez Spojené štáty americké, cez pobrežné vody Atlantiku a tri rieky do výkonnejšieho zariadenia vo Fermilabe, aby získali presnejšie výsledky. Pokusy v roku 2001 totiž ukázali, že častica zvaná mión sa nespráva tak, ako predpovedá štandardný model. Podľa údajov bol totiž viac magnetický, než mal byť.
Nové zistenia znovu naznačujú dokonca s ešte oveľa vyššou presnosťou, že mión sa nespráva tak, ako predpovedá štandardný model. Spojenie starých a nových výsledkov sa veľmi približuje k štatistickej významnosti, ktorú vedci považujú za objav čohosi nového. Treba však dodať, že analýza výsledkov nie je ani zďaleka úplná.
Vedci sa domnievajú, že príčinou by mohli byť doteraz neznáme častice alebo sily, ktoré vplývajú na mión. Štúdiu zverejnili v časopise Physical Review Letters.
Zaujímavá vlastnosť
Mión je jednou zo základných častíc. Je veľmi podobný elektrónu, akurát je zhruba dvestokrát ťažší. Okrem hmotnosti má aj mnoho iných vlastností, z nich však fyzikov najviac zaujíma jeho magnetický dipólový moment. Magnetický dipólový moment udáva, ako veľmi častica reaguje na vonkajšie magnetické pole. Pri skúmaní iných vlastností vedci nenachádzajú podobný rozpor so štandardným modelom, ktorý opisuje svet v tých najmenších rozmeroch.
„Magnetický dipólový moment sa dá dnes merať veľmi presne, až na jedenásť platných cifier. Vo svete je len veľmi málo veličín, ktoré možno takto presne merať. Experimenty, ktoré postupne zlepšovali presnosť merania, už pred tridsiatimi rokmi naznačovali, že sa dajú objaviť príspevky do veľkosti magnetického dipólového momentu miónu z kvantových efektov nových, zatiaľ neznámych častíc,“ vysvetľuje pre web Veda na dosah Tomáš Blažek z Katedry teoretickej fyziky na Fakulte matematiky, fyziky a informatiky UK.
Na meranie dipólového momentu slúži experiment zvaný Mión g-2 (číta sa gé mínus dva). Častice v ňom obiehajú dookola v magnetickom kruhu s priemerom zhruba sedemnásť metrov. Keďže mióny sa správajú, akoby v sebe mali drobný tyčový magnet, prostredie experimentu spôsobuje, že smer tohto vnútorného magnetu sa krúti podobne ako os roztočeného vĺčika.
Hodnota momentu pre mión je presne rovná dvom. Avšak vďaka kvantovej povahe sveta vedci dostávajú mierne odlišnú hodnotu, anomálnu.
„Hodnota anomálneho magnetického momentu pochádza z toho, že na mikroskopickej škále v našom svete na kratučký okamih vznikajú a opäť zanikajú častice, ktoré sa akoby vynoria z ničoty a vzápätí sa opäť do ničoty vracajú. Môže tiež ísť aj o konverziu miónu napríklad na iné častice, ktoré okamžite spätne anihilujú na mión,“ pokračuje fyzik. Tieto častice následne vplývajú na vlastnosti miónu vrátane krútenia jeho vnútorného magnetu, ktorý sa pod ich vplyvom môže spomaliť, ale aj zrýchliť.
Experiment Mión g-2 vo svojej hale. Zdroj: Fermilab/Reidar Hahn
Významná odchýlka
Štandardný model predpovedá anomálny magnetický moment veľmi presne. Ak sa však objavili v prostredí nejaké častice, s ktorými model neráta, prejavilo by sa to na správaní miónu. V experimente totiž mión interaguje so všetkým vo vesmíre a merania to odzrkadľujú.
Teoretická hodnota anomálneho momentu by podľa modelu mala byť 0,001 165 918 10 (definuje sa ako rozdiel skutočnej hodnoty magnetického momentu mínus dva a následne sa ešte vydelí dvomi). Nové, najpresnejšie merania doteraz z Fermilabu sa však od tejto hodnoty líšia. Keď sa spriemerujú s výsledkom zo začiatku tisícročia, vychádza anomálny magnetický moment 0,001 165 920 40.
Zisteniam vedci pripisujú štatistickú významnosť 4,2 sigma, čo nemá ďaleko od hodnoty päť sigma, pri ktorej sa už hovorí o objave niečoho nového. Inými slovami, šanca, že šlo o náhodnú odchýlku merania od štandardného modelu, je jedna k štyridsať tisíc. Vedci si pritom dávali pozor, aby žiadnym spôsobom, ani podvedome, neovplyvnili možný výsledok.
„Dnes je už bežné v dôležitých veľkých experimentoch, že sa signálna oblasť zaslepí a starostlivo sa pripravuje analýza dát na kontrolných vzorkách, až kým sa všetky prvky analýzy nevyladia. Je to preto, aby sa pracovná skupina vyhla obvineniam, že vyšlo to, čo chceli. Podobne postupovali experimentátori aj vo Fermilabe,“ ozrejmuje Blažek.
Štúdia, ktorá hovorí opak
V ten istý deň, keď fyzici z Fermilabu zverejnili svoje merania, vyšla v časopise Nature štúdia o rovnakej vlastnosti miónu. Podľa autorov je jeho magnetický dipólový moment „celkom v poriadku“.
„Ak je náš výpočet správny, vyrieši nezhodu medzi teóriou a experimentom, a naznačil by tak, že nie je žiadna neznáma prírodná sila,“ píše v článku pre web The Conversation fyzik Zoltan Fodor, vedúci výskumného tímu. Inými slovami by sa dalo povedať, že podľa tejto štúdie všetko sedí. Fodor však upozorňuje, že ich výpočet vychádzal z celkom iných predpokladov a musí byť potvrdený.
Práca vychádza z mohutnej výpočtovej techniky „na mriežke“. Spočíva v zjednodušení sveta tak, že priestor a čas sa rozdelí na mriežku bodov, a tak sú oboje nespojité. Spoja sa až na konci výpočtu.
„V minulosti výsledky výpočtov na mriežke podhodnocovali chybu, teda udávali menšiu chybu, ako sa neskôr ukázalo, že mali udávať. V súčasnosti je ťažké povedať, ako hodnoverný je tento jeden výsledok. Nie je ľahké ho overiť. Zatiaľ je teda odložený tak trochu bokom. Počkáme, ako sa to s ním vyvinie,“ hovorí o štúdii Blažek.
Magnety, ktoré vedú k hlavnému prstencu experimentu. Zdroj: Fermilab/Cindy Arnold
Ostáva len skúmať ďalej
Zatiaľ nie je možné dať definitívnu odpoveď na to, či sú nové zistenia naozaj náznakom novej fyziky, ako sa často spomína.
„Budeme ďalej skúmať anomálny magnetický moment miónu a vyhodnocovať zhodu či nezhodu so štandardným modelom. Fermilab má už teraz dvojnásobné množstvo nových dát, ktoré predpokladajú spracovať do leta 2022,“ pokračuje fyzik.
Ak je nameraná odchýlka spôsobená novou fyzikou, podľa Blažeka vzniká kombináciou veľkej hmotnosti nových neznámych častíc a ich slabej naviazanosti na mión. Otázkou potom je, ako oba javy spolu súvisia. Taktiež je možné, že sú neznáme častice ľahké a keďže na známe častice pôsobia veľmi slabo, ešte slabšie ako neutrína, nemali sme ich ako spozorovať. Neutrína prechádzajú bežnou hmotou takmer bez akejkoľvek reakcie. Opačnou možnosťou je, že by častice boli ťažké. Každá možnosť sa prejaví počas nejakého experimentu.
Súčasná situácia sa dá obrazne naznačiť aj nasledovne. Predstavte si, že hľadáte zaviate mesto faraónov, staré tisícky rokov. Narazíte na niečo, čo pripomína vrchol pyramídy, a tak kopete. No čím ste hlbšie, tým je to ťažšie. Za pozornosť však stojí myšlienka, že ak je to ozaj pyramída, musia byť v okolí iné stavby, a tak začnete uvažovať, kde by mohli byť. Začnete tiež navrhovať, kde začať s kopaním.
„Stále nemusí nič z toho vyjsť, ak sa ukáže, že ste našli len náhodný kus balvanu. Začína byť však málo pravdepodobné, že takto by mohol vyzerať náhodný balvan,“ dodáva Blažek.
Je tiež možné, že vysvetlenie anomálie má spojitosť s inými otázkami časticovej fyziky. V marci napríklad výskumníci z CERN-u oznámili výsledky experimentu, v ktorom tiež zohrávali úlohu mióny. Skúmali dva typy rozpadu častice zvanej kvark b, a to na elektróny a mióny. Podľa štandardného modelu by malo k obom dochádzať v takmer rovnakej miere. Údaje však naznačujú, že rozpadov na mióny bolo menej. Zatiaľ nevedno, prečo je to tak.
Zdroje: DOI: 10.1103/PhysRevLett.126.141801, tlačová správa Fermilabu, Nature, The Conversation, tlačová správa Pennsylvánskej štátnej univerzity,
