Ještě před několika desítkami let to vypadalo, že všechno, co se ve vesmíru děje, můžeme vysvětlit pomocí čtyř základních sil. Potom však fyzikové zaznamenali neobvyklé chování částic, které jsou nazývány miony.

Experimenty v laboratoři Fermilab u Chicaga označované názvem Muon g-2 takové chování od roku 2021 opakovaně potvrzují. Dat přibývá a s tím se snižuje pravděpodobnost, že to je způsobeno statistickou chybou. Vše nasvědčuje tomu, že existuje fyzika, o které jsme dosud neměli potuchy.

Mionový prstenec Muon g-2 v laboratoři Fermilab u Chicaga. | zdroj: Profimedia

Fyzici předpokládají, že další zkoumání subatomárních mionů (anglicky muonů) může vést k tomu, že bychom do seznamu základních sil, kterými na sebe hmotné objekty působí, přidali další.

Byl by to největší fyzikální objev od dob Einsteinových teorií relativity.

Čtyři síly nestačí, drazí fyzikové?

Podle současné fyziky existují v přírodě čtyři základní síly, z nichž tři, elektromagnetickou sílu a silnou i slabou jadernou sílu, vysvětluje standardní model částicové fyziky.

Tento model však nevysvětluje další známou základní sílu, gravitaci. Měly by ji přenášet částice, kterým se říká gravitony. Zatím je nikdo nedokázal objevit.

Co víc, standardnímu modelu se vymyká temná energie. Fyzika její pomocí vysvětluje zrychlující se rozpínání vesmíru, které by se jinak podle současných poznatků mělo zpomalovat.

Teď vědci naznačují existenci páté základní přírodní síly, která by zmíněné záhady mohla vysvětlovat.

„Mluvíme o páté síle, protože chování (v experimentech Muon g-2) nemůžeme uspokojivě vysvětlit pomocí čtyř sil, které známe,“ cituje web deníku The Guardian profesora Miteshe Patela z londýnské Imperial College, který se na experimentech s miony podílí.

Když odečtete dvojku...

Miony se dají přirovnat k elektronům. Jsou však 207krát těžší. Jejich chování v magnetickém poli přirovnává Patel k dětské hračce káča, která se otáčí kolem osy a kmitá do stran.

V experimentech Muon g-2 nechávají výzkumníci obíhat miony vysokou rychlostí v prstenci o průměru patnáct metrů, který je ovinut silným magnetem. V určitém okamžiku se miony rozpadají. Částice, které při tom vznikají, zachytí detektory a sofistikovaný počítačový program potom určuje, jak se mion v magnetickém poli vychyloval. Míru vychýlení popisuje číslo „g“. 

Fyzici přitom analyzují část čísla g, která je větší než dva. Výraz „g-2“ v názvu tohoto typu experimentů znamená „to, co zůstane, pokud od g odečtete dvojku“.

Frekvence kmitání (chvění) by každopádně podle naší fyziky měla odpovídat standardnímu modelu. Jenže výsledky z laboratoře FermiLab se od něj odchylují.

Profesor Jon Butterworth z londýnské University College, který pracuje na podobných experimentech na Velkém hadronovém urychlovači ve švýcarském Cernu, v Guardianu říká:

„Chvění je způsobeno vzájemným působením mionu a magnetického pole. Dá se počítat podle standardního modelu, který však zahrnuje kvantové smyčky, v nichž se objevují známé částice. Pokud se ale měření neshodují s předpovědí, mohlo by to být znamením, že se ve smyčkách objevuje nějaká neznámá částice, která může být například nositelem páté síly.“

Cesta do neznáma

Butterworth, který se zabývá rychlostí, s jakou vznikají miony a elektrony při rozpadu určitých částic, upozorňuje, že neočekávaná frekvence kmitání mionů je jedním z nejdéle trvajících a nejvýznamnějších rozporů mezi měřením a standardním modelem.

„Toto měření je velkým úspěchem a nyní je už velmi nepravděpodobné, že by bylo chybné. Pokud se potvrdí, mohl by to skutečně být první důkaz páté síly, anebo něčeho velmi zvláštního mimo standardní model,“ vysvětluje vědec.

Butterworth však podotýká, že další výzkum může před vědu postavit víc otázek než odpovědí. „Pokud se nesrovnalosti potvrdí, budeme si jisti, že je tu něco nového a vzrušujícího, ale nebudeme si jisti tím, co to vlastně je,“ říká fyzik Butterworth.

„V ideálním případě by tato nesrovnalost poskytla nové teoretické myšlenky, které by vedly k novým předpovědím. Například, jak bychom mohli najít částici, která je nositelem nové síly. Potom bychom mohli vytvořit experiment, který by tuto částici přímo objevil," říká fyzik Butterworth.