Experiment Mion g-2 proběhl letos na jaře v laboratořích Fermilab v Chicagu. Na počátku dubna tamní vědci potvrdili, že se mion chová opravdu jinak, než se doposud předpokládalo. Podle některých teoretických fyziků to minimálně znamená oprášení současných teorií, další spekulují rovnou o revoluci.

„Pro mnohé z nás to zní jako úplně nová fyzika,“ řekl pro vědecký server scitechdaily.com Dan Hooper z chicagské univerzity, pod níž Fermilab spadají. Jeho kolega, další teoretický fyzik z Fermilabu, Gordan Krnjaic nadšeně souhlasil: „Žijeme ve skvělé době, kdy si opět můžeme zaspekulovat.“ Podle nich doposud zveřejněná data ukazují cestu k rozluštění posledních tajemství kvantové fyziky, a tím i k pochopení vesmíru.

Na základě experimentů a teorií sahajících až raným pracím Alberta Einsteina vytvořili v průběhu minulého století vědci teorii o tom, jak je vesmír - od jeho nejmenších částic až po největší síly - sestaven. Tato teorie nese název standardní model částicové fyziky, a doposud bez větších diskusí všeobecně platila. I v ní ovšem existuje několik mezer. Například se objevila temná hmota, která při původních výpočtech nebyla zohledněna.

Nepřesnost na osmém desetinném místě

Žádný problém, řekli si vědci. Postavili větší urychlovače, jakým je třeba ten Velký hadronový v CERN ve švýcarském podzemí, aby prozkoumali nejzákladnější vlastnosti částic. Přesto mezery zůstávají.

Nyní spatřily světlo světa předběžné výsledky experimentu Mion g-2, které byly zveřejněny v Physical Review Letters. A objevila se taková titěrnost. Nepřesnost na osmém desetinném místě. Výsledky měření magnetického momentu mionu neodpovídaly hodnotě, kterou předpověděla teorie struktury hmoty, což je jen jiný název pro standardní model částicové fyziky. Může mít tato minimální odchylka opravdu tak fatální důsledky pro naše chápaní vesmíru? Upřímně? Může.

Nejmenší částice totiž ovlivňují ty největší vesmírné síly. Drobné rozdíly ve vlastnostech každé částice ovlivňují způsob, jakým se vesmír po Velkém třesku rozpínal a vyvíjel. A to ovlivnilo úplně vše: Od toho, jak galaxie drží pohromadě, až po podstatu samotné hmoty.

Existuje několik sprostých podezřelých, kteří by mohli mít prsty ve změřené anomálii. Tedy pokud celý experiment není chybný.

„Jedním z nich je teorie známá jako supersymetrie, která byla velmi módní na počátku našeho tisíciletí,“ pokračoval pro server Hooper. Supersymetrie tvrdí, že každá subatomární částice má svoji partnerskou částici. Záporný mion, těžší bratranec elektronu, by měl mít někde svého pozitivního sourozence. Tato zastřešující teorie tak vysvětlila několik zmíněných mezer, včetně temné hmoty. Jenže ani Velký hadronový urychlovač žádné důkazy o těchto extra částicích nenašel. Zatím.

Zdroj: Youtube

Další možností je existence nějaké dosud neobjevené, relativně těžké formy hmoty, která by s miony silně interagovala.

Anebo by mohly existovat ve vesmíru další druhy exotických částic, dosud neobjevených, které s miony slabě interagují a způsobily onu diferenci. „Tyto částice by musely existovat již od Velkého třesku, a to by mělo řadu důsledků. Například by mohly mít vliv na to, jak rychle se vesmír rozpínal v prvních několika okamžicích po třesku,“ vysvětloval Krnjaic.

Důležité je, že téměř jakékoli vysvětlení anomálie s sebou nese i hluboké dopady na naše znalosti vývoje vesmíru.

Výše tři uvedené teorie jsou, řekněme, nejvíce racionální, pokud to tak ve kvantové fyzice lze vůbec říci. Ale existují i teorie vyloženě fantaskní. Například, že do mionů narážejí částice, které k nám nakukují z jiných dimenzí. „Jednou z věcí, ze které jsou kvantoví fyzici obviňováni opravdu jen zřídka, je nedostatek kreativity,“ okomentoval nápad Hooper. Oba vědci ale společně tvrdí: Nejdůležitější je, šmahem tyto teorie neodmítat, bez ohledu na to, jak divoce mohou znít. „Nemůžeme si dovolit něco přehlédnout, jen proto, že to zní bláznivě,“ pokračoval Hooper.

Obrovské množství dat 

Úplně prvním krokem ale musí být jednoznačné potvrzení naměřených výsledků experimentu Mion g-2. Vědci na to dokonce mají systém, který umožňuje stanovit, zda jsou získaná data relevantní a že se nejedná jen třeba o výkyv. Výsledek oznámený v dubnu dosáhl hodnoty 4,2 sigma, přičemž hodnota 5 sigma znamená, že je to skoro jistě pravda.

„Jistotu budeme ale mít až tak za dva roky,“ sdělil serveru Hooper. Experiment Mion g-2 poskytl obrovské množství dat, které bude třeba nejprve pečlivě projít. Mezitím by se již měly ale objevit výsledky několika velmi komplikovaných teoretických výpočtů - tak složitých, že i ty nejvýkonnější superpočítače světa je musí řešit měsíce. I ty by mohly výsledky posunout k úrovni spolehlivosti 5 sigma.

Všechno toto vzrušení nad odchylkou magnetického momentu se může zdát jako přehnané. Ale jak píše scitechdaily.com: malé nesrovnalosti častou vedou k masivním otřesům. V polovině 19. století si astronomové, když měřili oběžnou dráhu Merkuru, všimli, že vede trochu mimo oproti předpokladům Newtonovy gravitační teorie. „Tato anomálie nás s dalšími pozdějšími důkazy nakonec dovedla až k teorii obecné relativity,“ uvedl Krnjaic. „Nikdo tehdy netušil, o co se jedná, ale vědce to přinutilo přemýšlet a experimentovat. Myslím, že až se jednoho dne ohlédneme za dneškem, bude hrát mionový experiment stejnou roli.“

Experiment Mion g-2

Mion je záporně nabitá elementární částice. Stejně jako elektron má svůj vnitřní moment hybnosti, tzv. spin. Rotace způsobuje, že se elektron a mion chovají jako mikroskopické magnety. Proto mají magnetický moment, který interaguje s vnějšími magnetickými poli.

Po dlouhou dobu se věřilo, že tzv. gyromagnetický poměr g, který spojuje magnetický moment s rotací těchto částic, má hodnotu přesně 2. V polovině minulého století bylo změřeno, že hodnota g elektronu je o něco větší než 2. Vědci to přisoudili vlivu vakua.

V kvantové teorii není vakuum prázdné studené nic. Naopak. Je naplněno oceánem částic, které vznikají, zanikají, přicházejí, odcházejí, mění se. Proto gyromagnetický poměr pro elektron i mion je o něco větší než 2. Při výpočtech bylo nutné přidat tedy příspěvky všech elementárních částic, které existují a jejichž virtuální dvojice se mohou vynořit z prázdna jako duchové a okamžitě znovu zmizet.

Hodnota g gyromagnetického poměru je proto citlivým indikátorem, který ukazuje, zda bereme v úvahu všechny částice, které by potenciálně mohly existovat.

Fyzici si uvědomili, že měření rozdílu g-2 pro mion může poskytnout relativně objektivní představu o tom, kolik různých elementárních částic se před námi skrývá v nicotě vakua. A možná je mezi nimi i něco, co neznáme. Odtud i název experimentu „g-2“.

Zdroj: magazín Quanta, Wikipedie