Všichni si přejí jediné. „Ať je to pravda!“ Výsledky již byly představeny. Ovšem nejistota přetrvává. Protože: Co je v kvantové fyzice vlastně určité, že?

A přitom jde o takovou titěrnost. Nepřesnost na osmém desetinném místě. Ten rozdíl se týká magnetického momentu mionu (nestabilní elementární částice se záporným elementárním elektrickým nábojem - pozn. red.). Výsledky měření totiž neodpovídaly hodnotě, kterou předpověděla teorie struktury hmoty, známá také jako standardní model částicové fyziky.

Proč jsou ti vědci tedy tak natěšení? Máme se snad něčeho bát? Naopak. Fyzici by přivítali, kdyby se tato nesrovnalost potvrdila. Jedná se totiž v současnosti v podstatě o poslední experiment, který by dokázal, že existují i další než dosud známé elementární částice. Tedy ty, které uznávané teorii struktury hmoty neodpovídají.

Díky objevu slavného Higgsova bosonu v roce 2012 byla tato teorie „skoro“ uzavřena. Hotovo. Standardní model už v sobě neměl žádné chybějící prvky. Byla dokončena jeho kompaktní teoretická struktura, která vysvětluje téměř všechna získaná experimentální data. Je to dokonalé a nikomu se to nelíbí. Má to příliš mnoho nejasností - např. množství neznámých částic a proč jsou zrovna takové a ne jiné.

Ale hlavně nezapadá do kosmologických pozorování, podle kterých je vesmír z velké části naplněn temnou hmotou, které je (hmotnostně) nejméně pětkrát více, než hmoty, kterou jsme doposud poznali a kterou právě popisuje standardní model.

Snahy byly dosud marné

Fyzici se už roky snaží zachytit částice, které by byly součástí temné hmoty, ale jejich snahy byly doposud marné. Ani největší urychlovač na světě - Large Hadron Collider (LHC) v CERN poblíž Ženevy - je nedetekoval. Sice nadále zkoumá vlastnosti bosonu a nadále objevuje nejrůznější exotické stavy čtyř nebo pěti kvarků, ale zatím neodhalil žádnou částici, která by podkopala pevné základy standardního modelu.

Toto pátrací fiasko a jednolitost teorie nese s sebou pro vědce nemilou souvislost. Proč by někdo dnes dával další obrovské peníze na výstavbu dalších a výkonnějších urychlovačů, když už se vlastně nedá nic nového objevit?

Proto je taková důležitost přikládána g-2 experimentu. A nejen dnes. Magnetický moment mionu byl poprvé změřen před 20 lety v Národní laboratoři v Brookhavenu ve Spojených státech. Tehdy byla ihned rozpoznána i jeho anomálie.

A co že to ten mion vlastně je? Jedná se o záporně nabitou elementární částici, která je takovým těžším bratrem elektronu. Stejně jako elektron má svůj vnitřní moment hybnosti, tzv. spin. Což znamená, že se točí jako káča, což je ve skutečnosti jen hodně vzdálená analogie. Spin je prostě základní vlastností těchto částic, stejně jako elektrický náboj. Rotace způsobuje, že se elektron a mion chovají jako mikroskopické magnety. Proto mají magnetický moment, který interaguje s vnějšími magnetickými poli.

Citlivý indikátor

Po dlouhou dobu se věřilo, že tzv. gyromagnetický poměr g, který spojuje magnetický moment s rotací těchto částic, má hodnotu přesně 2. Ale v polovině minulého století bylo změřeno, že hodnota g elektronu je o něco větší než 2. Vědci to přisoudili vlivu vakua. Ale pozor. 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 a 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. A protože je mion 207krát hmotnější než elektron, vakuum na něj působí mnohem silněji. V případě mionu je tedy rozdíl mezi reálným g a konstantní hodnotou 2 ještě větší. Fyzici si uvědomili, že měření rozdílu g-2 pro mion tak může poskytnout relativně objektivní představu o tom, kolik různých elementárních částic se před námi skrývá v nicotě vakua. A možná je mezi nimi něco, co neznáme. Odtud i název experimentu „g-2“.

Co je důležité, k měření potřebujete hodně dobrý cyklotron, v němž se budou v kruhu pod vlivem magnetického pole miony pohybovat. Při tomto letu cyklotronem mion projde precesí – to je to známé kymácení káči-, při němž osa rotace není svislá. Frekvence precese závisí na hodnotě magnetického momentu, tedy na poměru g.

Experiment provedený před 20 lety v Brookhavenu způsobil senzaci, protože měřená frekvence této precese se mírně lišila od frekvence stanovené v teoretickém standardním modelu. Vyplývalo by z toho totiž, že některé (ať už jedna jediná, nebo celá řada) neznámých částic nebyly vzaty v úvahu při teoretických výpočtech poměru g mionu. Každé měření je ale zatíženo statistickou chybou. Proto se experiment opakuje. Za modernějších podmínek. Před osmi lety byly silné supravodivé magnety z Brookhavenu naloženy na člun a poslány do Fermilabu (Fermi National Accelerator Laboratory), kde mají silnější zdroj mionů. Tam byl cyklotron pečlivě znovu sestaven a v roce 2018 se začalo opětovně měřit g-2, jen mnohem přesněji.

Velké napětí

Úplně všichni kvantoví fyzici tento experiment bez dechu sledovali. Když tým laboratoře Fermilab oznámil, že na začátku dubna představí předběžné výsledky, napětí bylo na vrcholu. Ono jde o hodně.

Například CERN před nedávnem představil design nového urychlovače, čtyřikrát většího než Large Hadron Collider, který má být postaven ve sto kilometrů dlouhém tunelu pod Ženevským jezerem. Urychlovače se vyvíjejí i v Asii. Čína a Japonsko jsou s jejich konstrukcí poměrně daleko. Všechny tyto plány by získaly obrovskou podporu, kdyby experiment g-2 potvrdil anomálii naznačující existenci neznámých elementárních částic. Kdyby ale tuto možnost vyvrátil, byla by to rána pro fyziky i investory.

„Pokud výsledky Brookhavenu potvrdí nový pokus ve Fermilabu, byl by to neskutečně obrovský úspěch,“ uvedla pro vědecký magazín Quanta kvantová fyzička Laura Baudisová z Curyšské univerzity. „Pokud by se ale anomálie v měření g-2 nepotvrdila, mohl by to být i konec kvantové fyziky jako takové. Experiment je pro ni takovou poslední šancí,“ sdělil Dominik Stöckinger, fyzik na Technické univerzitě v Drážďanech.

Podle něho jen potvrzení anomálie dokáže, že „existuje kvantová fyzika nad rámec standardního modelu“. „Jinak se může řada vědců rozhodnout, že je čas změnit zájmy, když už není co objevovat. Upřímně, uvažoval bych nad tím také,“ doplnil Stöckinger pro magazín.

A jak to všechno dopadlo? Škodolibě by se chtělo říci, že jako s tou Schrödingerovou kočkou. Předběžné výsledky experimentu byly oznámeny v Physical Review Letters minulý týden a vyvolaly očekávané a bouřlivé reakce. Dilema ale nevyřešily.

Ano, anomálie nezmizela, stále tam je. Výsledkem experimentu bylo hodnota:

g = 2,00233184122(82)

Vypočtená teoretická hodnota přitom je:

g = 2,00233183620(86)

Experimentální a teoretické hodnoty se tedy stále liší od osmého desetinného místa. Ne moc. Ovšem rozdíl naměřený ve Fermilabu je o něco významnější než ten z Brookhavenu před 20 lety. Je tedy velmi nepravděpodobné, že by anomálie byla způsobena statistickými výkyvy.

Takže se už můžeme těšit na objevy nových fantaskních částic? To zatím bohužel ne. Máme tu totiž další problém. Sice jsme správně změřili g-2 mionu, ale co když jsme předtím tuto hodnotu špatně spočítali? Pokud byly teoretické výpočty špatně, pak nejspíš neexistuje žádný rozdíl, žádná anomálie.

Jisté jsou tak jen dvě věci.

Kvantoví fyzici mají prozatím stále co na práci. Jak ti z Fermilabu, kteří nadále analyzují data z cyklotronu z let 2019 a 2020 a výsledky hodlají zveřejnit, jen jak to bude možné. Tak i teoretičtí fyzici, kteří by měli urychleně dospět ke shodě ohledně výpočtu teoretické hodnoty g-2.

A mion se znovu zapojil do velké fyziky. Už při svém náhodném objevení v kosmickém záření v roce 1936 vyvolal bouři ve vědecké komunitě. Jeho nález absolutně neseděl s tehdejšími teoriemi. „K čemu je? Proč ho příroda stvořila? Jaké je jeho místo? Kdo si ho objednal?“ ptal se tehdy americký fyzik Isidor Rabi. Dnes už o něm něco víme: má za úkol udržovat fyziky v naději, že bude stále co objevovat.

Ne, ne. Kvantová fyzika ještě zdaleka neřekla své poslední - pro běžného smrtelníka zcela nepochopitelné - slovo. A mimochodem, jen před několika měsíci ohlásili fyzici z CERNu zachycení nové asymetrie mezi hmotou a antihmotou.

Sepsáno s využitím zdrojů: magazín Quanta, laboratoř FERMILAB, deník Gazeta Wyborcza, wikipedie