Elektron-pozitronový spektrometr, který měl objevit novou částici o hnmotnosti 17MeV. Kredit: MTA-Atomki.

Fyzici tradičně rozeznávají čtyři základní síly či interakce: elektromagnetickou, slabou, silnou a gravitaci. Možná to jsou vlastně jenom čtyři aspekty jedné jediné síly, pokud se někomu povede stvořit teorii kvantové gravitace. A možná existuje i pátá základní síla. Fyzikům tahle představa nedá spát a čas od času se vrací. Pátá síla byla již několikrát předpovězena, zatím z toho ale nic nebylo. Nicméně, žijeme ve zvláštní době plné změn a Standardní model se otřásá pod údery z vícero stran. Doba zraje na objevy. Třeba dojde i na pátou základní sílu.

Jonathan Feng. Kredit: UC Irvine.

Vlastně se to možná už povedlo, alespoň podle týmu Institutu jaderného výzkumu v maďarském Debrecínu. Maďarský fyzik Attila Krasznahorkay se svými kolegy pozoroval jistou anomálii v radioaktivním rozpadu. A tahle anomálie by mohla být stopou páté základní síly, čili nové fyziky. Článek o svém výzkumu nahráli na elektronický archiv preprintů arXiv počátkem jara 2015 a letos v lednu jim ho otiskl prestižní fyzikální časopis Physical Review Letters. Jenže, i když jejich článek navrhuje nový lehký boson, který by byl jenom 34krát těžší než elektron, nezískal si větší pozornost. Tak už to ve vědě chodí. Konec příběhu to ale rozhodně nebyl.

Attila Krasznahorkay. Kredit: CERN.

Asi před měsícem totiž Jonathan Feng z Kalifornské univerzity v Irvine a jeho kolegové publikovali na webu arXiv na toto téma svou vlastní analýzu. Dospěli k závěru, že maďarská data nejsou v konfliktu s žádným z předchozích experimentů, a že by doopravdy mohlo jít o doklad existence nového bosonu, který by byl zprostředkovatelem páté základní fyzikální síly. Feng a spol. vytáhli experiment z Debrecínu na výsluní. A začaly se dít věci.

Rouven Essig. Kredit: SLAC, Stanford.

29. dubna dva Fengovi kolegové prezentovali celou záležitost na workshopu SLAC National Accelerator Laboratory v kalifornském Menlo Parku. Účastníci workshopu se tvářili na možnost existence páté síly dost skepticky, ale myšlenka samotná je nadchla. Jak k tomu poznamenal fyzik Bogdan Wojtsekhowski z Thomas Jefferson National Accelerator Facility v Newport News, stát Virginia, mnozí účastníci workshopu se tímhle nápadem infikovali a teď horečnatě vymýšlejí různé postupy, jak by bylo možné existenci této páté síly ověřit. Výzkumné týmy z Evropy i Ameriky se holedbají, že zvládnou experimentální výsledky z Debrecínu potvrdit nebo vyvrátit do roka a do dne, takže tu nejspíš máme další fantastický fyzikální závod o Nobelovy ceny a další příjemné bonusy.

Experiment DarkLight. Kredit: Jefferson Lab.

V posledním desetiletí jsme svědky zvýšeného zájmu o pátou základní sílu. Mohla by totiž souviset se stále naprosto záhadnou temnou hmotou, kterou se už dlouho marně snažíme osvětlit. Jedno z možných řešení zahrnuje takzvané temné fotony (dark fotons), které by měly ovlivňovat temnou hmotu, tak jako fotony ovlivňují viditelnou hmotu. Krasznahorkay a spol. ve svém debrecínském experimentu původně hledali temné fotony. Fengův tým si ale myslí, že vlastně našli něco jiného.
V Debrecínu stříleli protony do terče z lithia-7. Přitom vznikla nestabilní jádra berylia-8, která se rozprskla za vzniku párů elektronů a pozitronů. Tyto rozpady ale neprobíhaly úplně přesně podle předpovědí ze Standardního modelu. Podle Krasznahorkaye při rozpadu zlomku z celkového počtu jader berylia-8 dochází ke vzniku doposud neznámých částic. Jejich hmotnost v Debrecínu propočítali na 17 megaelektronvoltů. Co jsou ale zač?

Podle Fenga a spol. nejde o temné fotony. Dospěli k tomu, že by mělo jít o takzvané protofobní X bosony (protophobic X boson). Měly by být nositelem síly, která působí na extrémně krátkou vzdálenost, sotva několika násobků šířky atomového jádra. Feng připouští, že s kolegy studují i další typy částic, které by mohly vysvětlovat pozorované anomální rozpady v Debrecínu. Protofobický X boson je ale podle nich nejelegantnějším řešením.

Teoretický fyzik Jesse Thaler z MIT patří k těm skeptickým a v novou částici o hmotnosti 17 MeV nevěří. Publikace Fengova týmu ale získala jeho pozornost. Třeba se prý už doopravdy dostali na dosah fyziky za hranicemi viditelného vesmíru. Mluvčí týmu experimentu DarkLight v Jeffersonově laboratoři v Newport News, Richard Milner z MIT, prohlásil, že 17MeV částice má v jejich experimentu prioritu, a že po ní teď půjdou. DarkLight loví temné fotony o hmotnosti 10-100 MeV, protofobickým bosonem by ale určitě nepohrdli. Brzy prý bude jasno. Do honu na novou částici se také nejspíš pustí na experimentu LHCb v CERNu, a také na dvou experimentech, na nichž pálí pozitrony na pevný terč – v italském INFN Frascati National Laboratory poblíž Říma a v Budker Institute of Nuclear Physics v ruském Novosibirsku.

I Rouven Essig, teoretický fyzik z newyorské Stony Brook University je k existenci protofobického bosonu skeptický. Zároveň je ale rád, že se po této částici pátrá. Bylo by prý bláznivé to nechat být jen tak. A ještě k tomu dodává, s jistou dramatičností, že když Příroda chce, tak umí pořádně překvapit. Brzy se jistě dozvíme víc.


Video: Caltech Asks: What's the Matter? Searching for Meaning in a Cold, Dark Universe


Video:  Jefferson Lab Virtual Tour

Literatura
Nature News 25. 5. 2016, arXiv:1604.07411, arXiv:1504.01527, Physical Review Letters 116: 042501.