6. decembra 2021
nova fyzika

Blíži sa nová fyzika?

V prekvapivo krátkom čase sa objavili dve podobné správy: časticový experiment sa výrazne odlíšil od teoretickej predpovede. Rôzne stránky vydali články s fantastickými nadpismi ako ‚Objavili sme novú silu’ alebo ‚Blíži sa nová fyzika‘. Tieto správy asi veľmi nesadli ľuďom, ktorí s fyzikou bojovali celú strednú školu: „Prosím? Ďalšia fyzika? To nemyslíte vážne!“ Sú tieto tvrdenia opodstatnené?

Oba experimenty, ktoré vzbudili pozornosť, sa týkajú častice zvanej mión. Mión je ťažší brat elektrónu, ináč sú si takmer identickí.

O prvom experimente LHCb, ktorý prebiehal v CERNe, sme už písali. Skúmal rozpad istej častice a očakávalo sa, že pri ňom budú elektróny a mióny vznikať rovnako často – ako sa na bratov patrí. Nameraný pomer však nebol 1 : 1, ale 1 : 0.85.

Druhý experiment skúmal niečo, čo sa volá g-2 faktor (čítaj „g mínus 2“). O čo ide? Faktor g určuje pomer medzi spinom častice a jej magnetickým momentom. Podľa klasickej fyziky je jeho hodnota 1. Dirac však vo svojej rovnici uvidel, že elektróny sa točia veľmi zvláštne a hodnota g faktoru je 2. Ani to však nebol konečný výsledok, mierne ho upravujú kvantové korekcie.

Vo výstavnej skrini teórie zvanej kvantová elektrodynamika je okrem iného aj výpočet toho, ako veľmi sa hodnota g faktora líši od hodnoty 2 – preto ten názov „g mínus 2“. Experimenty sa zhodujú s teóriou, hodnota elektrónového g-2 faktoru je 0.002 319 304 362 56 (35). Ide o šialene presnú zhodu.

Miónový experiemnt. Zdroj Fermilab.

Pre mión sa však predpoveď teórie od výsledku experimentu výrazne líši, 0.002 331 83620(86) versus 0.002 331 84121 (82). Možno si poviete, že chyba na niekoľkom desatinnom mieste, no a čo? Problém je, že takáto chyba je vo výsledku, kde sa očakávala oveľa lepšia zhoda. Je iné netrafiť o centimeter keď odpaľujete golfovú loptičku – tam by to bola dokonca úctyhodná presnosť – a keď operujete mozog.

No dobre, experimenty nám teda nesedia s teóriou, čo sa dá robiť?

Po prvé, viac experimentov. Keď robíte stovky až tisíce rôznych experimentov, (štatistická) motyka občas vystrelí. Komunita časticovej fyziky si stanovila limit na presnosť, od ktorého niečo môže prehlásiť za objav a ani jedna z týchto anomálií ho ešte neprekročila, hovoríme tak zatiaľ len o silnom náznaku. Ďalšie experimenty môžu rozdiel vyhladiť.

Po druhé, nemusí ísť o štatistickú chybu, ale o chybu experimentov, respektíve ich vyhodnotenia. Ide o veľmi komplexné záležitosti a tak by bolo ideálne, ak by sme mali oba výsledky potvrdené nezávisle.

Tretia možnosť je, že s experimentami je všetko v poriadku a chyba je na strane výpočtov. Presnosť výsledkov je dosahovaná zahrnutím obrovského množstva príspevkov a problém môže byť niekde v nich. V deň oznámenia g-2 výsledku vyšiel odborný článok, ktorý výsledok spočítal iným spôsobom – pomocou počítačových mriežkových simulácií – a výsledok bol približne v zhode s experimentom. Možno tak je problém v klasickom (takzvanom poruchovom) výpočte.

Čo ak však výsledok pretrvá? Výpočty sa skontrolujú, prekalibrujú a rozdiel nezmizne. Potom to naozaj môže byť dôkazom novej fyziky. Čo sa tým myslí?

Do kvantových procesov zasahujú rôzne častice, ktoré vzniknú len na krátky okamžik a hneď zaniknú, ovplyvnia však výsledok. Na interakcie miónov tak majú vplyv aj iné častice – v princípe aj tie, ktoré zatiaľ nepoznáme. A v tom tkvie celá podstata – ak sa teórie líši od experimentu, tak možno kvôli tomu, že sme do výpočtu nezahrnuli príspevok od nejakej neznámej častice. Nejde o úplne nový spôsob, ako nové častice objaviť – aj taký Higgsov bozón sme objavili cez jeho vplyv na iné interakcie.

Vplyv Higgsovho bozónu na časticový proces. CERN

No dobre, možno existuje ďalšia častica – no a čo? Fundamentálnych častíc poznáme relatívne málo: elektróny, kvarky a neutrína; ich dve ťažšie generácie a ich antičastice. K tomu pár častíc, ktoré sprostredkúvajú interakciu – fotóny, gluóny a W, Z bozóny. No a Higgsov bozón ako čerešnička na torte zvanej štandardný model časticovej fyziky. Ako sa tieto častice postupne objavovali, každá z nich priniesla do fyziky úplne nové a netriviálne koncepty ako napríklad uväznenie kvarkov či Higgsov mechanizmus.

Je teda možné, že ak je za rozdielom teórie a experimentov naozaj existencia novej častice, tak naozaj prinesie novú fyziku, nejaký nový fyzikálny princíp. To samozrejme neznamená, že sa budeme učiť fyziku nanovo. Nerozbíjame celú skladačku, prikladáme ďalší dielik.

[Samuel]

Pridaj komentár