V dubnu vědci z Evropského centra pro jaderný výzkum neboli CERN u Ženevy znovu odpálili své kosmické dělo, Velký hadronový urychlovač. Po tříleté odstávce kvůli opravám a modernizacím urychlovač znovu začal vystřelovat protony – holé útroby atomů vodíku – kolem své 17 mil dlouhé elektromagnetické podzemní závodní dráhy. Začátkem července začne urychlovač srážet tyto částice dohromady a vytvářet jiskry prvotní energie.
A tak se velká hra o honbě za tajemstvím vesmíru chystá znovu, uprostřed nového vývoje a osvěžených nadějí částicových fyziků. Už před renovací produkoval urychlovač náznaky, že by příroda mohla skrývat něco velkolepého. Mitesh Patel, částicový fyzik na Imperial College London, který provádí experiment v CERNu, popsal data ze svých předchozích běhů jako „nejvzrušující soubor výsledků, jaké jsem za svůj profesní život viděl“.
Před deseti lety se fyzici z CERNu dostali do celosvětových titulků díky objevu Higgsova bosonu, dlouho hledané částice, která dodává hmotu všem ostatním částicím ve vesmíru. Co zbývá najít? Téměř všechno, říkají optimističtí fyzici.
Když byl urychlovač CERN v roce 2010 poprvé spuštěn, vesmír byl k mání. Stroj, největší a nejvýkonnější, jaký byl kdy postaven, byl navržen tak, aby našel Higgsův boson. Tato částice je základním kamenem Standardního modelu, sady rovnic, která vysvětluje vše, co vědci dokázali změřit o subatomárním světě.
Existují však hlubší otázky o vesmíru, které Standardní model nevysvětluje: Odkud se vesmír vzal? Proč je vyroben z hmoty spíše než z antihmoty? Co je to „temná hmota“, která zaplavuje vesmír? Jakou hmotnost má samotná Higgsova částice?
Fyzici doufali, že některé odpovědi se zhmotní v roce 2010, kdy byl velký urychlovač poprvé spuštěn. Nic se neobjevilo kromě Higgse – konkrétně žádná nová částice, která by mohla vysvětlit povahu temné hmoty. Standardní model zůstal neotřesený.
Urychlovač byl odstaven na konci roku 2018 z důvodu rozsáhlých modernizací a oprav. Podle aktuálního harmonogramu poběží urychlovač do roku 2025 a poté se na další dva roky vypne, aby mohly být instalovány další rozsáhlé upgrady. Mezi touto sadou vylepšení jsou vylepšení obřích detektorů, které jsou umístěny ve čtyřech bodech, kde se srážejí protonové paprsky a analyzují úlomky srážky. Od července budou mít tyto detektory práci. Protonové paprsky byly stlačeny, aby byly intenzivnější, což zvyšuje pravděpodobnost srážky protonů v místech křížení – ale vytváří zmatek pro detektory a počítače ve formě několika spršek částic, které je třeba od sebe odlišit.
„Data budou přicházet mnohem rychleji, než jsme byli zvyklí,“ řekl Dr. Patel. Zatímco kdysi došlo pouze k několika kolizím při každém křížení paprsku, nyní by jich bylo více než pět.
„To nám v určitém smyslu ztěžuje život, protože musíme být schopni najít věci, které nás zajímají, mezi všemi těmi různými interakcemi,“ řekl. „Ale to znamená, že je větší pravděpodobnost, že uvidíš věc, kterou hledáš.“
Mezitím různé experimenty odhalily možné trhliny ve standardním modelu – a naznačily širší a hlubší teorii vesmíru. Tyto výsledky zahrnují vzácné chování subatomárních částic, jejichž jména většina z nás v kosmických bělidlech nezná.
Vezměte mion, subatomární částici, která se loni krátce proslavila. Miony jsou často označovány jako tukové elektrony; mají stejný záporný elektrický náboj, ale jsou 207krát hmotnější. „Kdo to nařídil?“ řekl fyzik Isador Rabi, když byly v roce 1936 objeveny miony.
Nikdo neví, kam miony zapadají do velkého schématu věcí. Vznikají srážkami kosmického záření – a při událostech s urychlovačem – a radioaktivně se rozpadají v mikrosekundách na šum elektronů a strašidelné částice zvané neutrina.
V loňském roce tým asi 200 fyziků spojený s Fermi National Accelerator Laboratory v Illinois oznámil, že miony rotující v magnetickém poli kolísaly výrazně rychleji, než předpovídal standardní model.
Rozpor s teoretickými předpověďmi přišel na osmé desetinné místo hodnoty parametru zvaného g-2, který popisoval, jak částice reaguje na magnetické pole.
Vědci připisovali zlomkový, ale skutečný rozdíl kvantovému šepotu dosud neznámých částic, které by se krátce zhmotnily kolem mionu a ovlivnily by jeho vlastnosti. Potvrzení existence částic by nakonec porušilo Standardní model.
Ale dvě skupiny teoretiků stále pracují na sladění svých předpovědí o tom, jaký by měl být g-2, zatímco čekají na další data z experimentu Fermilab.
„Anomálie g-2 je stále velmi živá,“ řekla Aida X. El-Khadra, fyzička z University of Illinois, která pomohla vést tříleté úsilí zvané Muon g-2 Theory Initiative s cílem vytvořit konsensuální předpověď. „Osobně jsem optimista, že trhliny ve standardním modelu se přidají zemětřesení. Přesná poloha trhlin však může být stále pohyblivým cílem.“
Mion figuruje i v další anomálii. Hlavní postavou, nebo možná padouchem, je v tomto dramatu částice zvaná kvark B, jeden ze šesti druhů kvarků, které skládají těžší částice, jako jsou protony a neutrony. B znamená dno nebo možná krásu. Takové kvarky se vyskytují ve dvoukvarkových částicích známých jako B mezony. Ale tyto kvarky jsou nestabilní a jsou náchylné k rozpadu způsobem, který vypadá, že porušují standardní model.
Některé vzácné rozpady kvarku B zahrnují sedmikráskový řetězec reakcí, které končí jiným, lehčím druhem kvarku a párem lehkých částic nazývaných leptony, buď elektrony, nebo jejich kypré příbuzné, miony. Standardní model tvrdí, že elektrony a miony se v této reakci objeví stejně pravděpodobně. (Existuje třetí, těžší lepton zvaný tau, ale rozpadá se příliš rychle na to, aby byl pozorován.) Ale Dr. Patel a jeho kolegové našli více elektronových párů než mionových, čímž porušili princip nazývaný leptonová univerzálnost.
„Tohle by mohl být zabiják Standardního modelu,“ řekl Dr. Patel, jehož tým zkoumal kvarky B pomocí jednoho z velkých detektorů Velkého hadronového urychlovače, LHCb. Tato anomálie, stejně jako magnetická anomálie mionu, naznačuje neznámého „ovlivňovatele“ – částici nebo sílu zasahující do reakce.
Dr. Patel říká, že jednou z nejdramatičtějších možností, pokud tato data obstojí v nadcházejícím běhu urychlovače, je subatomární spekulace zvaná leptokvark. Pokud částice existuje, mohla by překlenout propast mezi dvěma třídami částic, které tvoří hmotný vesmír: lehkými leptony – elektrony, miony a také neutriny – a těžšími částicemi, jako jsou protony a neutrony, které se skládají z kvarků. Je zajímavé, že existuje šest druhů kvarků a šest druhů leptonů.
„Jdeme do tohoto běhu s větším optimismem, že by mohla přijít revoluce,“ řekl Dr. Patel. „Zkřížené prsty.“
V této zoo je ještě další částice, která se chová podivně: boson W, který přenáší takzvanou slabou sílu odpovědnou za radioaktivní rozpad. V květnu fyzici s detektorem Collider ve Fermilabu nebo CDF informovali o 10letém úsilí změřit hmotnost této částice na základě asi 4 milionů W bosonů získaných ze srážek ve Fermilabově Tevatronu, který byl nejvýkonnějším urychlovačem na světě. dokud nebyl postaven Velký hadronový urychlovač.
Podle Standardního modelu a předchozích hmotnostních měření by měl boson W vážit asi 80,357 miliardy elektronvoltů, což je jednotka hmotnosti-energie, kterou upřednostňují fyzici. Pro srovnání Higgsův boson váží 125 miliard elektronvoltů, asi tolik jako atom jódu. Ale CDF měření W, nejpřesnější, jaké kdy bylo provedeno, bylo vyšší, než se předpokládalo, na 80,433 miliard. Experimentátoři vypočítali, že existuje pouze jedna šance na 2 biliony – 7-sigma, ve fyzikálním žargonu – že tento rozdíl je statistickou náhodou.
Hmotnost bosonu W je spojena s hmotností dalších částic, včetně nechvalně známého Higgsova. Takže tato nová nesrovnalost, pokud se udrží, by mohla být další trhlinou ve standardním modelu.
Přesto by se všechny tři anomálie a naděje teoretiků na revoluci mohly s dalšími daty vypařit. Pro optimisty však všechny tři ukazují stejným povzbudivým směrem ke skrytým částicím nebo silám, které zasahují do „známé“ fyziky.
„Takže nová částice, která by mohla vysvětlit hmotnost g-2 i W, by mohla být v dosahu LHC,“ řekl Kyle Cranmer, fyzik z University of Wisconsin, který pracuje na dalších experimentech v CERNu.
John Ellis, teoretik z CERNu a Kings College London, poznamenal, že bylo publikováno nejméně 70 článků, které navrhují vysvětlení pro nový nesoulad W-hmotnosti.
„Mnoho z těchto vysvětlení také vyžaduje nové částice, které mohou být přístupné LHC,“ řekl. „Zmínil jsem se o temné hmotě? Takže na spoustu věcí, na které si dát pozor!“
O nadcházejícím běhu Dr. Patel řekl: „Bude to vzrušující. Bude to těžká práce, ale opravdu se těšíme na to, co máme a zda je v datech něco skutečně vzrušujícího.“
Dodal: „Můžete projít vědeckou kariérou a nebudete to moci jednou říct. Takže mi to připadá jako privilegium.“