Pátek, Září 21

Američané zkoušejí prolomit Standardní model fyziky elementárních částic přesným měřením magnetického momentu mionu

V únoru 2018 tým 190 vědců v americkém Fermilabu (stát Illinois) zahájil jedno z nejpřesnějších fyzikálních měření v celé historii vědy: měření magnetického momentu vzácné subatomární částice mionu, na velkém kruhovém magnetu o průměru 15 metrů. Experiment nese název „g mínus 2 (g-2)“. V klidovém stavu může mion existovat přibližně 2,2 miliontiny sekundy.

Urychlovače částic ve Fermilabu. (Zdroj: FNAL.gov)

Měření magnetického momentu, tedy síla magnetu, vytvářeného mionem, bylo provedeno s odchylkou v řádu tisícin miliardtin standardních jednotek, což zhruba odpovídá měření vzdálenosti Země a Slunce s přesností na jeden milimetr. Vypočtená velikost podle dnes přijímaného Standardního modelu mikrosvěta se však neshoduje s naměřenou hodnotou, což může být vstupní branou k zákonům fyziky, kterou tento model nepokrývá. To by bylo skutečně velkým průlomem a fyzici dnes hledají jakékoliv stopy k prostoru mimo tuto teorii, která je sama o sobě dosti úspěšná – nicméně řadu otázek nechává nezodpovězenou.

Magnetické pole nutí miony k precesnímu pohybu, který je určitým druhem kmitů, jejichž frekvenci můžeme měřit experimentem. Součástí vzorce pro tuto veličinu je náboj částice a g-faktor, používaný pro srovnání a určení rozdílů mezi různými fyzikálními teoriemi. Podle klasické teorie vychází velikost g = 1, v nerelativistické kvantové teorii je rovno 2.

Měření g-faktoru pro elektrony, zahájená po druhé světové válce, ukázala malý rozdíl oproti teoretické hodnotě, která je rovna přesně 2 – experimentální výsledek činil 2,00232. Tento rozdíl je způsoben efekty, popisovanými teorií kvantové elektrodynamiky. Výzkumníci se soustředili na rozdíl mezi teorií a experimentem, který činí 0,00232, a proto jsou pokusy v této oblasti nazývány (g-2).

Předmětem studia kvantové elektrodynamiky je kromě jiného otázka existence a vlivu virtuálních částic, také nazývaných kvantovou pěnou. Je to jakási polévka z párů částic a antičástic, která se sporadicky vynořuje z vakua a zase mizí. To se děje neustále, a jak se zdá, bez následků, v některých procesech však hrají zásadní roli, například když se objeví nedaleko nějaké subatomární částice. V letech 1997-2001 fyzici z americké Brookhavenu National Laboratory změřili g-faktor mionu s přesností na 12 platných číslic a výsledek neodpovídal teorii. Zatím však není jasné, zda nejde o statistickou fluktuaci. Pro příklad uveďme, že pokud srovnáváte výšku několika lidí a chyba měření je v řádu půl metru, těžko získáte zajímavý a věrohodný výsledek.

Běžným postupem je v takovém případě vylepšit měřicí aparaturu a posbírat víc dat, v tomto případě však brookhavenští badatelé narazili na příliš mnoho překážek a rozhodli se přemístit celé experimentální zařízení do Fermilabu, kde je k dispozici urychlovač, schopný vyrábět více mionů. K tomu došlo v červenci roku 2013, kdy bylo zařízení dopraveno lodí na vzdálenost 5000 kilometrů podél východního pobřeží Spojených států a po proudu řeky Mississippi. V mezičase byla nainstalována nová elektronika a detektory. Mimochodem, mezi místními obyvateli je populární příběh, že v laboratoři přechovávají zbytky spadlé mimozemské lodi: kdosi v noci viděl kamion v doprovodu policie, kde pod plachtou ležel kruh o průměru 15 metrů.  

Tým ve Fermilabu již pokus g-2 zahájil, záznam dat by měl trvat do začátku července.

Jaký výsledek vědci očekávají a jaké mohou potenciálně získat? Pokud velikost g, změřená ve Fermilabu, vyjde stejně jako u měření v Brookhavenu, znamená to, že odchylka dat z Fermilabu činí 5 sigma – a z toho plyne objev nějakého dříve nepozorovaného faktoru. Na druhou stranu se může stát i opak: výsledek bude jiný, například výsledek měření bude stejný jako ten, který předpovídají výpočty – a z toho plyne potvrzení stávající teorie.

Jaký objev by mohl tento pokus přinést? Například nové virtuální částice, zatím ve fyzice neznámé. Magnetický moment mionu je velmi citlivý k virtuálním částicím v jeho bezprostřední blízkosti, vždy jej ovlivní. V dosavadních výpočtech však byly používány pouze již známé virtuální částice – a právě to může znamenat rozdíl v naměřených a teoretických číslech.

Za zmínku stojí krátký popis metody těchto výzkumu. Po desetiletí v něm vedly urychlovače pracující s vysokými energiemi. Slavná Einsteinova rovnice E = mc2 popisuje vztah mezi hmotou a energií částice a plyne z ní, že pro objev těžkých částic, kterými například miony jsou, je zapotřebí opravdu hodně energie. Nejvýkonnějším urychlovačem je dnes Large Hadron Collider ve švýcarském CERN.

Tato metoda výroby částic je založena na hrubé síle: co nejvíc je urychlit a srazit. Není však jediná. Podle Heisenbergova principu neurčitosti mezi částicemi nastávají i energeticky velmi nepravděpodobné, „nemožné“ situace, pokud trvají krátký čas – místo velkých energií tak můžeme měřit to, co se děje během krátkého času. V tomto případě badatelé předpokládají, že virtuální částice neprojevující se na delších časových intervalech, se objevuje z nicoty na velmi krátkou dobu, za kterou však stihne ovlivnit magnetický moment mionu. Měření s velkou přesností teoreticky takovou změnu dokáže ovlivnit a objevit tuto částici. To je přesně ten případ, kdy se skalpel může ukázat lepším prostředkem, než kladivo, a experiment g-2 ve Fermilabu tak možná překoná měření z Brookhavenu.

Dosavadní historie vědy je plná případů, kdy se zdrojem odchylky po naměření nových dat ukázaly být chyby měření, na průlom ve fyzice se tedy zatím sázet nedá. Zjištěné odchylky mohou být pouhou fluktuací ve statistice. Nicméně šance, že měření g-2 v Brookhavenu byla prvním krokem k objevu, který změní paradigma fyziky, není nulová – na místě je mírný optimismus. Data, zaznamenaná na jaře, chtějí vědci analyzovat a zpracovávat na podzim, první výsledky tak mohou být hotovy už letos.

Zdroj: Atomic-energy.ru

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.