Aldebaran bulletin

Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics)
Číslo 32 – vyšlo 10. září, ročník 19 (2021)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Hledej

Pátá interakce

Petr Kulhánek

V současnosti lze veškeré interakce mezi objekty v přírodě popsat čtyřmi základními interakcemi: gravitačníGravitační interakce – interakce působící na všechny částice bez výjimky. Má nekonečný dosah a její intenzita ubývá s kvadrátem vzdálenosti. Současnou teorií gravitace je obecná relativita publikovaná Albertem Einsteinem v roce 1915. Podle této teorie kolem sebe každé těleso zakřivuje prostor a čas a v tomto pokřiveném světě se tělesa pohybují po nejrovnějších možných drahách, tzv. geodetikách. Obecná relativita předpověděla řadu jevů, které z Newtonovy teorie gravitace nevyplývají., elektromagnetickouElektromagnetická interakce – interakce působící na všechny částice s elektrickým nábojem. Má nekonečný dosah, mezi tělesy ubývá s druhou mocninou vzdálenosti. Polními částicemi jsou fotony, které vytvářejí mezi nabitými tělesy elektromagnetické pole. Nemají elektrický náboj, mají nulovou klidovou hmotnost a spin rovný jedné. Teorie elektromagnetické interakce se nazývá kvantová elektrodynamika (QED)., silnouSilná interakce – interakce krátkého dosahu, přibližně 10−15 m. Silná interakce je výběrová, působí jen na částice s barevným nábojem, tj. kvarky. Polními částicemi silné interakce jsou gluony (z anglického „glue“ = lepit, lepidlo). Gluony spojují kvarky do větších celků, tzv. hadronů. Nejznámější jsou proton a neutron složený ze tří kvarků. Silná interakce je odpovědná za soudržnost atomárního jádra. Polní částice mají barevný náboj a proto mohou působit samy na sebe. Barevný náboj na malých vzdálenostech (při vysokých energiích) slábne a kvarky se chovají jako volné částice. Hovoříme o tzv. asymptotické volnosti kvarků. Teorií silné interakce se nazývá kvantová chromodynamika (QCD).slabouSlabá interakce – interakce s konečným dosahem, který je přibližně 10–17 m. Působí pouze na levotočivé kvarky a leptony. Polními částicemi jsou vektorové bosony W+, W a Z0 se spinem rovným jedné. Hmotnosti částic jsou v rozmezí (80÷90) GeV. Typickým slabým procesem je například beta rozpad neutronu. Teorie slabé interakce se nazývá kvantová flavourdynamika (QFD).. Dvě z nich jsou dalekodosahové (gravitační a elektromagnetická) a dvě krátkodosahové (silná a slabá). Gravitaci úspěšně popisuje prostřednictvím zakřiveného časoprostoru obecná relativitaObecná relativita – teorie gravitace publikovaná Albertem Einsteinem v roce 1915. Její základní myšlenkou je tvrzení, že každé těleso svou přítomností zakřivuje prostor a čas ve svém okolí. Ostatní tělesa se v tomto pokřiveném světě pohybují po nejrovnějších možných drahách, tzv. geodetikách. a zbývající tři interakce jsou popsány kvantovou teoriíKvantová teorie pole – popis interakce založený na kvantových principech, tj. na nekomutativnosti základních operací v mikrosvětě. Kvantová teorie pole nahrazuje silové působení mezipůsobícími polními částicemi. Tyto částice jsou virtuální a nikdy nemohou skončit v detektoru. Jako první prototyp kvantové teorie pole se vyvinula ve 30. letech 20. století kvantová elektrodynamika, později se objevila teorie slabé a silné interakce. Jediná gravitace je popsána jinak – za pomoci obecné relativity.. V současnosti nemáme jedinou teorii pro všechny čtyři interakce. Kvantovou část dobře popisuje tzv. standardní model elementárních částic a interakcíStandardní model – současný obecně přijímaný model částic a interakcí. Obsahuje kvarky, leptony, polní částice jednotlivých interakcí (fotony, gluony, W+,  W, Z0) a Higgsovu částici jakožto zdroj hmotnosti ostatních částic a narušení symetrie elektroslabé interakce. Součástí modelu není gravitační interakce.. Celkový počet čtyř interakcí nemusí být konečný. Například nizozemský teoretický fyzik Erik Verlinde se domnívá, že gravitace není samostatnou silou, ale jde o projevy, kterými se statisticky chová navenek mikrosvět popsaný kvantovými zákony. Pokud by se tato vize potvrdila, poklesl by počet základních interakcí na tři. Většina fyziků nespokojených s číslem 4 se ale domnívá, že budou naopak existovat i další, velmi slabé interakce, které jsou obtížně měřitelné a může jich dokonce být i větší počet. Jedna z nich by mohla být spojena se samotným Higgsovým polemHiggsovy částice – částice, které se objevují ve sjednocené teorii elektromagnetické a slabé interakce (tzv. elektroslabé interakce) standardního modelu. Částice a jim odpovídající Higgsovo pole zde zajišťují nenulovou hmotnost polních částic slabé interakce a způsobují narušení symetrie elektroslabé interakce při energiích nižších než 100 GeV. Částice jsou pojmenovány podle skotského fyzika Petera Higgse. Tento mechanizmus nazýváme Higgsův mechanizmus a je aplikovatelný i na jiné částice. Existence Higgsovy částice byla s největší pravděpodobností potvrzena v červenci 2012 na dvou detektorech urychlovače LHC v CERNu., které by mohlo způsobovat další, zatím neměřitelnou, interakci elementárních částic. Není ani vyloučené, že by gravitace na velkých škálách mohla mít více složek, které se nám dosud nepodařilo objevit. Snad by taková interakce mohla vysvětlit podstatu temné energieTemná energie – entita zodpovědná za zrychlenou expanzi vesmíru, která byla objevena na konci roku 1998 (Saul Perlmutter, Adam Riess). Temná energie tvoří 68 % hmoty a energie ve Vesmíru. Hustota temné energie je velmi málo proměnná v čase i v prostoru, pokud vůbec. Nejnadějnějším kandidátem na temnou energii je energie vakuových fluktuací.. Většina fyziků se ale domnívá, že pokud nějaká další interakce existuje, bude mít kvantovou povahu, tj. bude za ní zodpovědná nějaká polní částice, která není součástí stávajícího standardního modelu. Taková polní částice by navíc mohla být usilovně hledanou částicí temné hmotyTemná hmota – hmota ve vesmíru nebaryonové povahy, která není složena z kvarků. Temná hmota udržuje pohromadě svítící objekty velkých rozměrů, které díky ní v periferních oblastech obíhají rychleji, než odpovídá gravitačnímu zákonu aplikovanému na viditelnou hmotu. Podle posledních odhadů na základě pozorování existuje ve vesmíru 5 % baryonové hmoty, 27 % temné hmoty a 68 % temné energie. Existuje několik hypotetických částic, které jsou vhodnými kandidáty na částice temné hmoty, dosud však nebyly objeveny. Termín „temná hmota“ zavedl v roce 1933 Fritz Zwicky, když zjistil, že se členové Kupy galaxií ve Vlasech Bereniky pohybují v průměru rychleji, než by odpovídalo gravitačním účinkům viditelné látky. Existují také teorie, které se pokoušejí vysvětlit rotační křivky galaxií a pohyby galaxií v kupách jiným způsobem než temnou hmotou.. V dnešním bulletinu se pokusíme přinést přehled některých snah o objev páté interakce.

Umělecká představa kvantového objektu

Umělecká představa kvantového objektu. Zdroj: Andrew Ostrovsky, Adobe Stock.

Gravitační interakce – interakce působící na všechny částice bez výjimky. Má nekonečný dosah a její intenzita ubývá s kvadrátem vzdálenosti. Současnou teorií gravitace je obecná relativita publikovaná Albertem Einsteinem v roce 1915. Podle této teorie kolem sebe každé těleso zakřivuje prostor a čas a v tomto pokřiveném světě se tělesa pohybují po nejrovnějších možných drahách, tzv. geodetikách. Obecná relativita předpověděla řadu jevů, které z Newtonovy teorie gravitace nevyplývají.

Elektromagnetická interakce – interakce působící na všechny částice s elektrickým nábojem. Má nekonečný dosah, mezi tělesy ubývá s druhou mocninou vzdálenosti. Polními částicemi jsou fotony, které vytvářejí mezi nabitými tělesy elektromagnetické pole. Nemají elektrický náboj, mají nulovou klidovou hmotnost a spin rovný jedné. Teorie elektromagnetické interakce se nazývá kvantová elektrodynamika (QED).

Silná interakce – interakce krátkého dosahu, přibližně 10−15 m. Silná interakce je výběrová, působí jen na částice s barevným nábojem, tj. kvarky. Polními částicemi silné interakce jsou gluony (z anglického „glue“ = lepit, lepidlo). Gluony spojují kvarky do větších celků, tzv. hadronů. Nejznámější jsou proton a neutron složený ze tří kvarků. Silná interakce je odpovědná za soudržnost atomárního jádra. Polní částice mají barevný náboj a proto mohou působit samy na sebe. Barevný náboj na malých vzdálenostech (při vysokých energiích) slábne a kvarky se chovají jako volné částice. Hovoříme o tzv. asymptotické volnosti kvarků. Teorií silné interakce se nazývá kvantová chromodynamika (QCD).

Slabá interakce – interakce s konečným dosahem, který je přibližně 10–17 m. Působí pouze na levotočivé kvarky a leptony. Polními částicemi jsou vektorové bosony W+, W a Z0 se spinem rovným jedné. Hmotnosti částic jsou v rozmezí (80÷90) GeV. Typickým slabým procesem je například beta rozpad neutronu. Teorie slabé interakce se nazývá kvantová flavourdynamika (QFD).

Modifikovaná gravitace

Gravitace je jedinou silou, která by měla působit na veškerá tělesa bez rozdílu. Ústřední tezí současné teorie gravitace, obecné relativityObecná relativita – teorie gravitace publikovaná Albertem Einsteinem v roce 1915. Její základní myšlenkou je tvrzení, že každé těleso svou přítomností zakřivuje prostor a čas ve svém okolí. Ostatní tělesa se v tomto pokřiveném světě pohybují po nejrovnějších možných drahách, tzv. geodetikách., je princip ekvivalencePrincip ekvivalence – gravitační zrychlení těles nezávisí na jejich chemickém složení, gravitační a setrvačná hmotnost těles je vzájemně úměrná, ve vhodné soustavě jednotek shodná. Tento princip se někdy nazývá slabý princip ekvivalence (WEP – Weak Equivalence Principle). Podle silného principu ekvivalence by měly platit i předpoklady speciální relativity, tj. princip konstantní rychlosti světla a neodlišitelnost inerciálních soustav pro mechanické i elektromagnetické děje. Silný princip ekvivalence má za důsledek to, že by gravitační účinky měla mít i hmotnost odpovídající energii elektromagnetického pole. Důsledkem principu ekvivalence je nerozlišitelnost mezi setrvačnými a gravitačními jevy., který předpokládá, že setrvačné a gravitační účinky všech těles jsou shodné. Nejasnou otázkou je velmi silný princip ekvivalence, podle kterého by i samotná energie gravitačního pole (a jí odpovídající hmotnost) měla mít jak setrvačnou povahu, tak schopnost gravitačního přitahování. Pokud by velmi silný princip ekvivalence neplatil, mohla by na tělesa působit další velmi slabá síla, kterou poprvé popsal už v roce 1968 americký fyzik Kenneth Nordtvedt. V roce 1981 šokoval australský geofyzik, profesor Frank Donald Stacey (*1929) z Queenslandské univerzity, měřeními gravitační konstanty v důlní šachtě kilometr pod povrchem [14]. Výsledek se lišil o 2 % od hodnoty měřené na povrchu. Jedním z možných vysvětlení byla existence nenewtonovské složky gravitační síly. Obdobná měření se proto konala na palubě americké ponorky USS Dolphin (AGSS 555), která byla schopna se ponořit do podstatně větší hloubky. Australská měření se ale nepotvrdila. Nordtvedtova síla by také mohla způsobovat malé změny vzdálenosti Měsíce od Země, které se pokouší detekovat experiment LRR (Lunar Laser Ranging) využívající pro laserová měření vzdálenosti koutové odražeče umístěné na Měsíci posádkami Apolla 11, 14 a 15. Další síla analogická gravitaci by mohla mít původ v extradimenzích, které jsou součástí některých snah o sjednocení všech čtyř interakcí. Za extradimenze považujeme další dimenze přidávané v modelech ke třem běžným prostorovým dimenzím a k jedné časové dimenzi. Mohou být jak makroskopické, tak kompaktifikované (svinuté). Jejich projevy ale dosud nebyly pozorovány, takže není jisté, zda existují, nebo zda jde o slepou uličku. Jestliže by nová síla závisela na složení látky (například poměru protonů a neutronů), byla by v principu objevitelná nějakou sofistikovanou variantou Eötvösova experimentu (dvě různá tělesa na rameni torzních vah, na která působí jak odstředivé síly způsobené rotující Zemí, tak gravitace). Výsledkem by byl nenulový moment síly působící na tato tělesa. Zatím se ale žádné síly tohoto typu detekovat nepodařilo.

Rozložení temné hmoty v kupách galaxií

Dosud nevysvětlenými projevy gravitační interakce jsou temná hmota a temná energie. Za temnou energii by mohly být zodpovědné kvantové fluktuace vakua, ale také síly spojené s modifikovanou gravitací. Všeobecně se předpokládá, že temná hmota je naopak tvořena neznámámými částicemi, které nejsou součástí stan­dard­ního modelu. Na snímku je rekonstrukce rozložení temné hmoty v kupách galaxií. Zdroj: D. Harvey, NASA, ESA, EPFL.

Částice X17 (Atomki anomálie)

Velmi zajímavý experiment provedli v roce 2015 v Ústavu jaderného výzkumu Maďarské akademie věd v Debrecíně (ústav je znám pod kratším a výstižnějším názvem Atomki). Skupina vědců pod vedením Attily Krasznahorkaye posílala urychlené protony na jádra 7Li, která se při srážkách měnila na excitovaná jádra 8Be. Z těchto jader by podle standardního modelu měly vylétávat energetické fotony, které se vzápětí přemění na elektronový-pozitronový pár. Skupina měřila úhly mezi vylétávajícími elektrony a pozitrony. Pro malé úhly statistika souhlasila se standardním modelem, ale kolem 140° se objevil malý pík (zvýšené množství elektronů a pozitronů vylétávajících pod tímto úhlem), který se standardním modelem částic a interakcí nesouhlasil. Statistická významnostStatistické zpracování dat – soubor naměřených hodnot má zpravidla tzv. normální (Gaussovo rozdělení). Hodnoty se kumulují v okolí střední hodnoty E(x) a jejich rozptyl je charakterizován směrodatnou odchylkou σ = [E(x2–E(x)2)]1/2. Směrodatná odchylka určuje šířku rozdělení. Data se σ = 50 jsou kolem střední hodnoty velmi rozptýlená, naopak data se σ = 1 se kolem střední hodnoty vysoce koncentrují. Do vzdálenosti 1σ od průměrné hodnoty je  68 % veškerých dat, do vzdálenosti 3σ leží přes 99 % všech dat. Pomocí směrodatné odchylky se zapisuje statistická významnost naměřeného výsledku (zda nemohl vzniknout v daném souboru dat jen náhodně). Statistická významnost nσ znamená hodnotu 2(1−D(n)), kde D je kumulativní distribuční funkce rozdělení. Hodnota 5σ je považována za hranici vědeckého objevu. byla „jen“ 3,1σ, což znamená, že pravděpodobnost, že jde o náhodnou fluktuaci je 1:1000. Za prokázaný objev se považuje 5σ (pravděpodobnost náhodné fluktuace 1:3 500 000). Zvýšenému počtu elektronů a pozitronů rozptylujících se pod úhlem 140° odpovídal pík v energetickém spektru o energii/hmotnosti 17 MeVElektronvolt – jednotka energie. Jde o energii, kterou získá elektron urychlením v potenciálovém rozdílu jeden volt, 1 eV = 1,6×10−19 J. V jaderné fyzice se používají spíše větší násobky této jednotky, kiloelektronvolt keV (103 eV), megaelektronvolt MeV (106 eV), gigaelektronvolt GeV (109 eV), teraelektronvolt TeV (1012 eV) nebo petaelektronvolt PeV (1015 eV). V těchto jednotkách se také vyjadřuje hmotnost (E=mc2) a teplota (E=kBT). Jeden elektronvolt odpovídá teplotě přibližně 11 600 K.. Skupina upozornila, že by mohlo jít o novou elementární částici – boson – za hranicí standardního modelu, která získala podle své hmotnosti pracovní označení X17. Bosony patří ve standardním modelu k nosičům sil, takže by částice X17, pokud skutečně existuje, mohla být spojena s novou neznámou silovou interakcí. Hmotnost 17 MeV je padesátinou hmotnosti protonu a 34-násobkem hmotnosti elektronu. Taková částice by mohla být i žhavým kandidátem na usilovně hledané částice temné hmoty.

Pík na velkých úhlech by mohl být způsobený novou částicí

Pík na velkých úhlech by mohl být způsobený novou částicí. Zdroj: Atomki.

Publikace o existenci možné nové částice vyšla v roce 2016 [1]. Novou částici bohužel nepotvrdila žádná jiná skupina, neuspěl ani experiment NA64 prováděný na urychlovači SPSSPS – Super Proton Synchrotron, jeden z urychlovačů v Evropském středisku jaderného výzkumu CERN. Dosažitelná energie je 400 GeV/proton. Urychlovač je v provozu od roku 1976. Na přelomu roku 1983 a 1984 zde byly objeveny polní bosony slabé interakce a v roce 2000 zde bylo poprvé připraveno kvarkové-gluonové plazma (zárodečná polévka, ze které vznikal vesmír).CERNCERN – Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, Evropské centrum jaderného výzkumu. Komplex urychlovačů a laboratoří na pomezí Švýcarska a Francie založený v roce 1954. Na výzkumu se podílí 22 členských zemí včetně České republiky. K největším objevům patří objev částic slabé interakce, příprava antivodíku a objev kvarkového-gluonového plazmatu. V CERNu byl také vynalezen a poprvé použit Web. V současné době je zde vybudován největší urychlovač světa – Large Hadron Collider, který byl po závadě na jednom z magnetů opětovně spuštěn na konci roku 2009. V roce 2012 byl na LHC objeven Higgsův boson, poslední částice standardního modelu.. V letech 2017 až 2018 proto debrecínská skupina detektor přestavěla a začala provádět další sérii experimentů, mj. i s rozpadem excitovaného jádra 4He. Nové výsledky byly velmi zajímavé. Kromě již známého píku na úhlu 140° se objevil další pík na úhlu 115°. Oba píky hovoří ve prospěch existence částice X17. Statistická významnost se zvýšila na 7,2σ. Výsledky byly publikovány v letech 2019 a 2020, ale opět nebyly potvrzeny žádnou jinou vědeckou skupinou. V současnosti už ale nejde jen o záležitost maďarské vědecké skupiny. Nezávislou analýzu experimentálních dat provedla skupina z Kalifornské univerzity v USA (Jonathan Feng, Tim Tait, Christopher Verhaaren) s podobnými závěry. Američané navrhli další experiment s excitovaným jádrem 12C. Navíc bude částice X17 hledána v Jeffersonově laboratoři, kde plánují experimenty, v nichž budou elektrony/pozitrony urychlené v injektoru CEBAF nastřelovány na tantalové a uhlíkové terče a ve vylétávajících částicích bude hledán podpis částice X17. V průběhu několika let by tak mohla být existence polní částice X17 definitivně potvrzena, nebo vyvrácena.

Laboratorní zařízení, na němž byl experiment prováděn

Laboratorní zařízení, na němž byl experiment prováděn. Zdroj: Atomki.

Mionový experiment g–2

Další skupina experimentů, která vedla na podezření z existence páté interakce, se týká měření magnetického momentu mionůMion – těžký elektron, hmotnost má 207 me. Střední doba života je přibližně 2×10−6 s. Těžký elektron se rozpadá na stabilní elektron, elektronové antineutrino a mionové neutrino. Mion se vyskytuje v sekundárních sprškách z kosmického záření. Mion byl objeven C. Andersonem v kosmickém záření za pomoci mlžné komory v roce 1936. (těžších příbuzných elektronuElektron – první objevená elementární částice. Je stabilní. Hmotnost má 9,1×10−31 kg a elektrický náboj 1,6×10−19 C. Elektron objevil sir Joseph John Thomson v roce 1897. Existenci antičástice k elektronu (pozitron) teoreticky předpověděl Paul Dirac v roce 1928 a objevil Carl Anderson v roce 1932.). Magnetický moment nabitých částic je dán jak jejich spinemSpin – vlastní (vnitřní) rotační moment částice souvisící s Lorentzovou symetrií. Pro částici v centrálním poli se přirozeným způsobem skládá s momentem hybnosti. Částice s nenulovým spinem se mohou chovat jako elementární magnetické dipóly μ, aniž by měly elektrický náboj. Takové částice reagují na vnější magnetická pole. (vlastní část), tak orbitálním momentemMoment hybnosti – veličina popisující rotační pohyby těles. Jde o vektorový součin hybnosti tělesa se spojnicí počátku souřadnicové soustavy a tělesa (radiusvektorem). Velikost momentu hybnosti je rovna součinu hmotnosti tělesa, rychlosti tělesa, vzdálenosti tělesa od počátku souřadnic a sinu úhlu mezi radiusvektorem a směrem rychlosti. Při dané rychlosti a hmotnosti je moment hybnosti maximální pro kruhový pohyb a minimální (nulový) pro radiální pohyb od nebo ke středu soustavy (úhel v definičním vztahu je nulový). (pohybová část). Magnetický moment je kvantovaný a základní kvantum je rovno Bohrovu magnetonuBohrův magneton – přirozená jednotka magnetického dipólového momentu elektronu. Bohrův magneton je univerzální konstanta rovná /2me, jejíž hodnota je 9,27×10−24 J/T. μB. Podle Diracovy rovnice, popisující chování mionu, by měl být vlastní (spinový) magnetický moment mionu dvojnásobkem Bohrova magnetonu. Výpočet se provádí přes tzv. Feynmanovy diagramyFeynmanovy diagramy – grafické zkratky pro jednotlivé části členů poruchové řady při řešení rovnic kvantové teorie pole. Tyto zkratky lze interpretovat jako elementární procesy interakce kvarků, leptonů a polních částic. s jedním a dvěma vrcholy. V roce 1948 ukázal americký teoretik Julian Schwinger, že příspěvky od složitějších Feynmanových diagramů povedou na tzv. anomální magnetický moment elektronu a mionu, který je roven pM = g μB. Faktor g není roven přesně dvěma, ale nepatrně se od této hodnoty odlišuje. Podle standardního modelu by mělo pro miony platit g = 2,00233183620(86), číslo v závorce udává neurčitostNeurčitost měření – zápisy standardní neurčitosti měření:
4,1257±0,0018
4,1257(18)
4,1257+0,0018−0,0018
posledních dvou platných cifer měření. Odchylka od hodnoty 2 vypovídá o jemných mechanizmech kvantové elektrodynamikyQED – Quantum Electrodynamics, kvantová elektrodynamika, současná teorie elektromagnetické interakce. Teorie je postavená na Diracově rovnici pro elektron a na kvantové verzi teorie elektromagnetického pole. Polní částicí interakce je foton., proto se experimenty testující kvantovou elektrodynamiku založené na měření magnetického momentu označují jako g–2 (g minus dvě). Jakákoli nepatrná odchylka od hodnoty g faktoru 2,00233183620(86) vypočtené ze standardního modelu znamená, že standardní model neplatí přesně a existují v něm další částice a silová pole.

První větší experiment tohoto druhu byl uskutečněn před dvaceti lety v Brookhavenské národní laboratořiBNL (Brookhaven National Laboratory) – Brookhavenská národní laboratoř, jedna z deseti národních laboratoří USA založená Americkým ministerstvem energetiky (DOE–U.S. Department of Energy). Její výzkum je orientován na fyziku, biomedicínu, životní prostředí a energetiku. Laboratoř je umístěna na ostrově Long Island ve státě New York. na poloostrově Long Island v blízkosti New Yorku. Urychlené protony byly nastřeleny na terčík, z něhož vylétaly pionyPion – mezon π, částice s nulovým spinem složená z kvarků ud., jež se rozpadaly na mionyMion – těžký elektron, hmotnost má 207 me. Střední doba života je přibližně 2×10−6 s. Těžký elektron se rozpadá na stabilní elektron, elektronové antineutrino a mionové neutrino. Mion se vyskytuje v sekundárních sprškách z kosmického záření. Mion byl objeven C. Andersonem v kosmickém záření za pomoci mlžné komory v roce 1936.. Miony poté vlétly do akumulačního prstence, kde byly udržovány na kruhové trajektorii magnetickým polem. Elementární magnetické dipóly, které v magnetickém poli precedují (jejich osa se otáčí kolem siločar magnetického pole po kuželové ploše) se po mnoha obězích rozpadnou na obyčejný elektron letící ve směru osy magnetického dipólu. Zařízením je možné velmi přesně určit magnetický moment mionů. Brookhavenský experiment měl označení E821 a z analýzy dat nasbíraných v roce 2001 vzešel článek v roce 2004 oznamující, že byly naměřeny odchylky od standardního modelu se statistickou významnostíStatistické zpracování dat – soubor naměřených hodnot má zpravidla tzv. normální (Gaussovo rozdělení). Hodnoty se kumulují v okolí střední hodnoty E(x) a jejich rozptyl je charakterizován směrodatnou odchylkou σ = [E(x2–E(x)2)]1/2. Směrodatná odchylka určuje šířku rozdělení. Data se σ = 50 jsou kolem střední hodnoty velmi rozptýlená, naopak data se σ = 1 se kolem střední hodnoty vysoce koncentrují. Do vzdálenosti 1σ od průměrné hodnoty je  68 % veškerých dat, do vzdálenosti 3σ leží přes 99 % všech dat. Pomocí směrodatné odchylky se zapisuje statistická významnost naměřeného výsledku (zda nemohl vzniknout v daném souboru dat jen náhodně). Statistická významnost nσ znamená hodnotu 2(1−D(n)), kde D je kumulativní distribuční funkce rozdělení. Hodnota 5σ je považována za hranici vědeckého objevu. 2,7σ. Šlo tedy spíše o podezření než o skutečný objev.

Princip mionového g-2 experimentu v Brookhavenu

Princip mionového g-2 experimentu v Brookhavenu. Zdroj: BNL.

V roce 2013 byl brookhavenský experiment rozebrán a jeho podstatné části, zejména magnet o hmotnosti 15 tun, byly převezeny do FermilabuFermilab – komplex urychlovačů ve Spojených státech, ve státě Illinois. Fermilab byl založen v roce 1967, prvním ředitelem se stal Robert Wilson, vynálezce mlžné komory. V roce 2011 zde byl ukončen provoz druhého největšího urychlovače světa – Tevatronu. K nejvýznamnějším objevům patří objev kvarku „b“ (1977), kvarku „t“ (1995) a tau neutrina (2000). Fermilab se zabýval výzkumem „b“ a „t“ kvarku, výrobou a výzkumem antivodíku, narušením CP symetrie, zkoumáním platnosti CPT symetrie a výzkumem řady dalších vlastností hmoty a antihmoty za vysokých energií. sídlícího na předměstí Chicaga. Cesta měřila 5 120 kilometrů a zaměstnanci Fermilabu uvítali přijíždějící magnet s velkou pompou. Mionový experiment g–2 byl znovu postaven ve Fermilabu a získal označení E989. Supravodivý magnet akumulačního prstence o průměru 15 metrů je provozován za teploty −268 °C. Staronový experiment sbírá data od roku 2018 a první výsledky byly oznámeny v dubnu 2021. Naměřený magnetický moment mionu je 2,00233184122(82), tedy se od hodnoty předpověděné standardním modelem liší na osmém desetinném místě. Je to nepatrná odchylka, ale byla naměřena se statistickou významností 4,2σ. Pokud další sběr povede k překročení hodnoty 5σ, nebude již pochyb o vědeckém objevu, který by znamenal, že na miony působí další neznámé síly za hranicí standardního modelu.

Stěhování magnetu z Brookhavenu do Fermilabu

Stěhování magnetu z Brookhavenu do Fermilabu. Zdroj: BNL, Fermilab.

Experiment „mion g-2“ ve Fermilabu

Experiment „mion g-2“ ve Fermilabu (ø 15 m). Foto: Reidar Hahn, Fermilab.

A co dál?

Další nezávislý poznatek, že se miony nechovají zcela dle standardního modelu, přinesly experimenty na detektoru LHCbLHCb – Large Hadron Collider beauty, multifunkční detektor pro LHC, na kterém je sledováno narušení CP symetrie a jsou zkoumány hadrony obsahující kvark b.CERNuCERN – Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, Evropské centrum jaderného výzkumu. Komplex urychlovačů a laboratoří na pomezí Švýcarska a Francie založený v roce 1954. Na výzkumu se podílí 22 členských zemí včetně České republiky. K největším objevům patří objev částic slabé interakce, příprava antivodíku a objev kvarkového-gluonového plazmatu. V CERNu byl také vynalezen a poprvé použit Web. V současné době je zde vybudován největší urychlovač světa – Large Hadron Collider, který byl po závadě na jednom z magnetů opětovně spuštěn na konci roku 2009. V roce 2012 byl na LHC objeven Higgsův boson, poslední částice standardního modelu., z nichž se se statistickou významností 4,2σ zdá, že se při rozpadu b kvarku miony chovají poněkud jinak než elektrony [13]. Poprvé se tak objevují experimenty, které naznačují, že existují jevy, které nejsou standardním modelem popsatelné. Bombastické novinové titulky o objevu páté interakce je ale třeba brát zatím s rezervou. Je třeba dalších dat a dalších experimentů s podstatně vyšší citlivostí. I v případě, že budou maďarské, fermilabské a cernské experimenty potvrzené, není zatím jasné, zda mají společného jmenovatele [12], nebo zda jde o několik různých jevů. Probíhají usilovné diskuze o charakteru polní částice nové silové interakce, může jít o tzv. leptokvark, který je schopen převádět kvarky na leptony, ale také o analogii polní částice slabé interakce, tzv. Z′ boson (na rozdíl od polní částice Z slabé interakce se za označením píše čárka). Další diskuze probíhají o názvu případné nové síly. Někteří navrhují „voňavá síla“ podle kvantové vlastnosti (vůně) odlišující elektrony od mionů, jiní hypersíla. Žijeme v převratné době, kdy standardní model, který byl po mnoho desetiletí neochvějným stavebním kamenem veškerých znalostí o elementárních částicích a interakcích, začíná ztrácet půdu pod nohama a pravděpodobně dojde k tomu, tak jak tomu už bylo mnohokrát v minulosti, že se stane jen speciálním případem nějakého obecnějšího modelu, který bude schopen popsat i jevy, které v současnosti objevujeme.

Standardní model elementárních částic

Standardní model elementárních částic. Zdroj: Particle Data Group.

Odkazy

  1. A. J. Krasznahorkay et al.: Observation of Anomalous Internal Pair Creation in 8Be: A Possible Signature of a Light, Neutral Boson; Phys. Rev. Lett. 116 (2016) 042501
  2. A. J. Krasznahorkay et al.: New evidence supporting the existence of the hypothetic X17 particle; arXiv:1910.10459 [nucl-ex], 23 Oct 2019
  3. A. J. Krasznahorkay et al.: A new anomaly observed in 4He supports the existence of the hypothetical X17 particle; arXiv:2104.10075 [nucl-ex], 20 Apr 2021
  4. Brian Konberlein: A fifth fundamental force could really exist, but we haven't found it yet; Universe Today, 26 Nov 2019
  5. Jonathan Feng, Tim Tait, Christopher Verhaaren: Evidence For a Fifth Force Explanation of the ATOMKI Nuclear Anomalies; arXiv:2006.01151 [hep-ph]; 18 Aug 2020
  6. Edwin Cartlidge: More evidence for a ‘fifth force’ found in radioactive decay measurements; Physics World, 11 Jun 2020
  7. Ana Lopes: The plot thickens for a hypothetical “X17” particle; CERN News, 27 Nov 2019
  8. Jim Daley: Muon g-2 begins second run; Fermilab News, 26 Mar 2019
  9. Tracy Marc: First results from Fermilab’s Muon g-2 experiment strengthen evidence of new physics; Fermilab News, 7 Apr 2021
  10. Pallab Ghosh: Muons: 'Strong' evidence found for a new force of nature; BBC News; 7 Apr 2021
  11. BNL: The E821 Muon (g-2) Home Page
  12. Takaaki Nomura, Prasenjit Sanyal: Explaining Atomki anomaly and muon g−2 in U(1)X extended flavour violating two Higgs doublet model; Journal of High Energy Physics 232 (2021)
  13. LHCb collaboration: Test of lepton univesality in beauty-quark decays; arXiv:2103.11769 [hep/ex], 22 Mar 2021
  14. Frank D. Stacey, Gary Tuck: Geophysical evidence for non-newtonian gravity; Nature 292 (1981) 230–232
  15. Wikipedia: Fifth force
  16. Wikipedia: Anomalous magnetic dipole moment

Valid HTML 5Valid CSS

Aldebaran Homepage