Stovky vědců spolupracovaly na přesném změření hmotnosti bosonu W, elementární částice zodpovědné za slabou jadernou sílu. Fyzici teď výsledky zveřejnili – a ke svému překvapení zjistili, že boson je hmotnější, než předpovídá Standardní model částicové fyziky. Výsledky vyšly v odborném žurnálu Science.
Základní model vesmíru je špatně, tvrdí skupina fyziků. Na hledání slabiny pracovali deset let
Nová hodnota hmotnosti bosonu W je výsledkem deseti let experimentů a výpočtů více než čtyř stovek fyziků z 54 různých institucí po celém světě. Pokusy probíhaly na obrovském detektoru srážek Tevatron v laboratoři Fermilab nedaleko Chicaga. Tento urychlovač je velký jako čtyřpatrový dům a váží 4500 tun.
Ukázalo se, že hmotnost bosonu W je 80 433 ± 9 MeV/c², což asi osmdesátkrát víc, než je hmotnost protonu. Tento výsledek je přibližně dvakrát přesnější než u starších měření. Ale důležité je, jak zvláštní tento výsledek byl.
Detektor Tevatron
„Když jsme to číslo uviděli, hned jsme si řekli, že je divné,“ popsal mluvčí experimentu David Tobac. „Nastalo ticho. Nevěděli jsme vůbec, co si o tom myslet.“ To pro různá média potvrdili i další fyzici, kteří se na experimentu podíleli – natolik se zaměřili na přesnost a kvalitu analýzy, až si napoprvé nevšimli samotné hodnoty. A když ji zaznamenali, byl to pro většinu šok.
Co je boson W?
Když se řekne boson, většině lidí se vybaví nejspíš Higgsův boson přezdívaný někdy také Božská částice. Ale ve skutečnosti je bosonů mnohem víc, vlastně mezi ně patří spousta známých částic – fotony, gluony, tetra- a hexakvarky nebo mezony. A také bosony W a Z.
Boson W (neboli slabý) je spojený se slabou jadernou silou, což je jedna ze základních interakcí. Je zodpovědná za jeden typ radioaktivního rozpadu a jadernou fúzi, k níž dochází ve hvězdách. Tato částice byla objevena v CERNu roku 1983 a od té doby byla považována za jeden z hlavních úspěchů teorie Standardního modelu fyziky částic. Jenže teď se může ukázat, že se stane i jeho hrobníkem.
- Bosony jsou částice, které mají symetrickou vlnovou funkci a celočíselný spin. Jmenují se podle indického fyzika Šatendranátha Boseho, proto bývají někdy označovány jako Boseho částice.
- Částice, které nejsou bosony, se nazývají fermiony nebo anyony.
Co je Standardní model
„Veškerá známá hmota ve vesmíru se skládá ze šesti druhů kvarků a šesti druhů leptonů a všechny jevy, které ve vesmíru pozorujeme, dovedeme vysvětlit pomocí čtyř druhů interakcí“ – to je jednovětý souhrn Standardního modelu, který je tím nejlepším, co má částicová fyzika k dispozici. Přes řadu alternativních teorií a hypotéz i výhrad je stále nejvíce využívaným nástrojem pro popis vesmíru a jeho zákonů.
Standardní model předpovídá hodnotu řady částic, včetně bosonu W. Jenže výsledek reálných měření (80 433 ± 9 MeV/c²) je od předpovězené hodnoty (80 357 ± 6 MeV/c²) velmi odlišný. Je to sice statisticky možné, ale velmi, velmi nepravděpodobné – podle předního experta na měření bosonu W Ashutoshe Vijaye Kotwala je tato pravděpodobnost menší než jedna ku miliardě.
Přehled vzájemného ovlivňování mezi částicemi popisovanými Standardním modelem
Kde je chyba a co to znamená
Je tedy velmi pravděpodobné, že výsledky tohoto experimentu jsou reálné – a chyba bude nejspíš někde ve Standardním modelu. Otázka je, kde. Tento model má několik slabin, nedokáže totiž například vysvětlit a popsat dva ze zásadních fenoménů vesmíru – temnou hmotu a gravitaci. Navíc už rok existují náznaky, že ani částici jménem mion Standardní model nedokázal dobře předpovědět.
Výsledky nutně neříkají, že je celý tento model úplně špatně. „Pokud se toto měření potvrdí, naznačuje možnou potřebu vylepšení výpočtu Standardního modelu nebo jeho rozšíření,“ uvedli vědci, kteří na experimentu pracovali, v tiskové zprávě. „Přestože se jedná o zajímavý výsledek, je třeba měření potvrdit dalším experimentem, aby bylo možné jej plně interpretovat,“ doplnil zástupce ředitele Fermilabu Joe Lykken.
Právě na to jsou už připravené experimenty, které budou zkoumat důsledky nového zjištění pomocí různých srážkových pokusů – budou tedy zaznamenávat srážky částic a z nich se pokusí zjistit co nejvíce informací. Stále se očekávají výsledky z detektorů ATLAS a CMS, dvou detektorů ve Velkém hadronovém urychlovači v CERNu. Právě tyto dva detektory před deseti lety pomohly nalézt Higgsův boson, takže si od těchto měření vědci hodně slibují. Ještě důležitější ale může být modernizace Velkého hadronového urychlovače (LHC), jež by měla být dokončena roku 2027.
Podle Davida Tobacka je výsledek důležitým příspěvkem k ověření přesnosti Standardního modelu. „Nyní je na komunitě teoretických fyziků a dalších experimentech, aby na to navázali a tuto záhadu vysvětlili,“ dodal. „Pokud je rozdíl mezi experimentální a očekávanou hodnotou způsobený nějakou novou částicí nebo subatomární interakcí, což je jedna z možností, je tady velká šance, že se jedná o něco, co by mohlo být objeveno v budoucích experimentech.“
Tento objev by podle něj mohl vést k vytvoření nové, úplnější teorie fungování vesmíru. „Pokud budou výsledky ověřeny dalšími experimenty, svět bude vypadat jinak,“ řekl pro BBC News. „Musí dojít ke změně paradigmatu. Je naděje, že možná právě tento výsledek bude tím, který prolomí hráz. Slavný astronom Carl Sagan řekl, že mimořádná tvrzení vyžadují mimořádné důkazy. Věříme, že je máme.“
Rozporuplné výsledky
„Je třeba připomenout, že citovaný výsledek měření hmotnosti bosonu W je jen jeden z několika měření této veličiny,“ uvedl pro ČT24 fyzik Jiří Chýla z Fyzikálního ústavu Akademie věd. „Má sice nejmenší chybu, ale i měření kolaborace D0, která také pracovala na urychlovči TEVATRON ve Fermilab jako CDF, a především kolaborace ATLAS na uychovači LHC v CERN, jsou dostatečně přesná a v souhlase se standardním modelem a naopak v rozporu s měřením CDF.“ O tom, kdo má pravdu, zda ATLAS a D0, nebo CDF a zda tedy má standardní model problém, rozhodnou podle profesora Chýly nová měření kolaborací ATLAS a CMS v CERN s mnohonásobně větší statistikou než má CDF, jejíž měření se opírá o data z doby před rokem 2011. „Do té doby může být standardní model klidný,“ dodává vědec.