Překvapivý objev hrozí převrácením standardního modelu částicové fyziky

Po desetileté analýze se díky spolupráci fyziků podařilo nejpřesněji změřit hmotnost klíčové částice – a může to rozluštit fyziku, jak ji známe. Nové měření se drasticky liší od předpovědí založených na standardním modelu, což naznačuje novou fyziku.

Standardní model částicové fyziky byl od svého vzniku v 70. letech 20. století mimořádně úspěšný při vysvětlování interakcí částic a nejzákladnějších sil. Nezakrývá vše – mezi hlavní chybějící části patří temná hmota a dokonce i gravitace – ale to, co zakrývá, zakrývá velmi dobře a důsledně obstojí v experimentech, které testují její předpovědi.

Ale nyní může dobře prozkoumaná částice hrozit, že udělá díru do tohoto úhledného modelu. Hmotnost částic lze vypočítat prostřednictvím jejich vztahů s ostatními částicemi ve standardním modelu a tuto předpokládanou hmotnost lze poté porovnat se skutečnými měřeními provedenými v urychlovačích částic, aby se otestovala vnitřní konzistence standardního modelu. Tento proces nyní vedl k velkému rozporu díky nenáročné částici zvané W boson.

W bosony jsou elementární částice, které nesou slabou sílu a zprostředkovávají jaderné procesy podobné těm, které fungují na Slunci. Podle Standardního modelu je jejich hmotnost spojena s hmotností Higgsova bosonu a subatomární částice zvané top kvark. V nové studii téměř 400 vědců na spolupráci s detektorem Collider ve Fermilab (CDF) strávilo deset let zkoumáním 4,2 milionu W bosonových kandidátů shromážděných z 26 let dat na urychlovači Tevatron. Z této pokladnice byl tým schopen vypočítat hmotnost W bosonu s přesností 0,01 procenta, díky čemuž je dvakrát přesnější než předchozí nejlepší měření.

Podle jejich výpočtů má boson W hmotnost 80 433,5 megaelektronvoltů (MeV), s nejistotou pouhých 9,4 MeV na obou stranách. To je v rozsahu některých předchozích měření, ale zcela mimo rozsah předpovídaný standardním modelem, který jej uvádí na 80 357 MeV, dejte nebo vezměte 6 MeV. To znamená, že nová hodnota je mimo o neuvěřitelných sedm standardních odchylek.

Další upevnění anomálie je, že hmotnost bosonu W byla také nedávno změřena pomocí dat z Velkého hadronového urychlovače v článku zveřejněném v lednu. Tento tým dospěl k hodnotě 80 354 MeV (+/- 32 MeV), což je pohodlně blízko k hodnotě udávané standardním modelem.

Tak o co jde? Některým fyzikům, kteří se studie nezapojili, je pohodlnější stát na straně Standardního modelu, což je pochopitelné.

„Všechna tato měření tvrdí, že měří stejnou veličinu,“ řekl experimentální fyzik Martin Grünewald ve zprávě Věda. „Někdo musí být, neřeknu špatně, ale možná udělal chybu nebo posunul hodnocení chyb příliš agresivně.“

Ale vědci na nové analýze CDF říkají, že postupy, které používali k dosažení své postavy, byly po mnoho let řádně zkoumány. Ve skutečnosti byla konečná naměřená hodnota před analyzátory skryta, dokud nebyly dokončeny tyto kontroly kvality.

„Počet vylepšení a zvláštních kontrol, které byly výsledkem našeho výsledku, je obrovský,“ řekl Ashutosh Kotwal, hlavní autor analýzy CDF. „Vzali jsme v úvahu naše lepší porozumění našemu detektoru částic a také pokroky v teoretickém a experimentálním chápání interakcí W bosonu s jinými částicemi. Když jsme konečně odhalili výsledek, zjistili jsme, že se liší od předpovědi standardního modelu.“

Pokud bude nový údaj ověřen, mohl by naznačovat neznámé částice nebo novou fyziku mimo standardní model, které narušují očekávané interakce. Ostatně už víme, že tento rámec je neúplný a další vyšetřování by mohlo pomoci záhadu rozluštit.

„Nyní je na komunitě teoretické fyziky a dalších experimentech, aby na to navázali a objasnili tuto záhadu,“ řekl David Toback, spolumluvčí CDF. „Pokud je rozdíl mezi experimentální a očekávanou hodnotou způsoben nějakým druhem nové částice nebo subatomární interakce, což je jedna z možností, je velká šance, že je to něco, co by mohlo být objeveno v budoucích experimentech.“

Výzkum byl publikován v časopise Věda.

Zdroje: Fermilab, UK Research and Innovation