Benn Allanach, teoretický fyzik. Kredit: Univerzity Cambridge.

Šokující výsledek částicového experimentu může spustit revoluci ve fyzice. A text pokračuje slovy:

„Vědci kousek od Chicaga zjistili, že hmotnost subatomární částice není taková jako by měla být. Toto měření je první přesvědčivý experimentální výsledek, který není v souladu s jednou z nejdůležitějších a úspěšných teorií moderní fyziky. Tým zjistil, že částice známá jako boson W má větší hmotnost, než předpovídá teorii. Profesor David Toblack, jeden za dvou mluvčích experimentu, označil výsledek za „šokující“. Vzrušení z výsledku je ovšem je třeba vzít s notnou dávkou opatrnosti. Ačkoliv je výsledek Fermilabu v současné době nejpřesnější měření hmotnosti bosonu W, je v rozporu s dvěma dalšími nejpřesnějšími měřeními dvou jiných experimentů, která jsou v souladu se Standardním modelem“.

Tevatron. Kredit: Fermilab.

Na tuto okolnost upozornil profesor Benn Allanach, teoretický fyzik z Univerzity Cambridge:

„Skutečnost, že máme dva další experimenty, které souhlasí vzájemně i se Standardním modelem, mne zneklidňuje“.

Ashutosh Kotwal, fyzik. Kredit: A. Kotwal.

Tato zpráva BBC se během krátké doby rozšířila do dalších medií a 9.4. 2022 o ní informoval i Český rozhlas s podobně kategorickým titulkem Základní model vesmíru je špatně, tvrdí skupina fyziků. Na hledání slabiny pracovali deset let a doplnil ji o solidně podanou informaci o kontextu výsledku, včetně varování ředitele Fermilab před předčasným závěrem.

„Stovky vědců spolupracovaly na přesném změření hmotnosti bosonu W, elementární částice zodpovědné za slabou jadernou sílu. Fyzici teď výsledky zveřejnili – a ke svému překvapení zjistili, že boson je hmotnější, než předpovídá Standardní model částicové fyziky“. Výsledky vyšly v odborném časopisu Science.

Carl Sagan, astronom. Kredit: C.Sagan.

Standardní model předpovídá hodnotu řady částic, včetně bosonu W. Jenže výsledek reálných měření (80 433 ± 9 MeV/c²) je od předpovězené hodnoty (80 357 ± 6 MeV/c²) velmi odlišný. Je to sice statisticky možné, ale velmi, velmi nepravděpodobné – podle předního experta na měření bosonu W Ashutoshe Vijaye Kotwala je tato pravděpodobnost menší než jedna ku miliardě.

Fabiola Gianotti. Kredit: CERN

Výsledky nutně neříkají, že je celý tento model úplně špatně. „Pokud se toto měření potvrdí, naznačuje možnou potřebu vylepšení výpočtu Standardního modelu nebo jeho rozšíření,“ uvedli vědci, kteří na experimentu pracovali, v tiskové zprávě.

„Přestože se jedná o zajímavý výsledek, je třeba měření potvrdit dalším experimentem, aby bylo možné jej plně interpretovat“, doplnil zástupce ředitele Fermilabu Joe Lykken.

Joe Lykken, fyzik. Kredit: MIT, Falcon117

Právě na to jsou už připravené experimenty, které budou zkoumat důsledky nového zjištění pomocí různých srážkových pokusů – budou tedy zaznamenávat srážky částic a z nich se pokusí zjistit co nejvíce informací. Stále se očekávají výsledky z detektorů ATLAS a CMS, dvou detektorů ve Velkém hadronovém urychlovači v CERNu. Právě tyto dva detektory před deseti lety pomohly nalézt Higgsův boson, takže si od těchto měření vědci hodně slibují.

Carlo Rubbia, nositel Nobelovy ceny za fyziku. Kredit: Volné dílo.

Opatrnost zástupce ředitele Fermilab je v kontrastu s jistotou mluvčího experimentu CDF Davida Toblacka:

„Nyní je na komunitě teoretických fyziků a dalších experimentech, aby na to navázali a tuto záhadu vysvětlili,“ dodal. „Pokud je rozdíl mezi experimentální a očekávanou hodnotou způsobený nějakou novou částicí nebo subatomární interakcí, což je jedna z možností, je tady velká šance, že se jedná o něco, co by mohlo být objeveno v budoucích experimentech.“

Tento objev by podle něj mohl vést k vytvoření nové, úplnější teorie fungování vesmíru. „Pokud budou výsledky ověřeny dalšími experimenty, svět bude vypadat jinak,“ řekl pro BBC News. „Musí dojít ke změně paradigmatu. Je naděje, že možná právě tento výsledek bude tím, který prolomí hráz. Slavný astronom Carl Sagan řekl, že „Mimořádná tvrzení vyžadují mimořádné důkazy. Věříme, že je máme.“

Carl Sagan má pravdu, mimořádná tvrzení vyžadují opravdu mimořádné důkazy, výsledek experimentu CDF jím ovšem s velkou pravděpodobností není.

Simon Van der Meer, nositel Nobelovy ceny za fyziku. Volné dílo.

To ukázaly výsledky nových analýz starších dat experimentů ATLAS a CMS, zmíněných výše. V dubnu 2024 publikoval výsledky sofistikované analýzy dat nabraných v roce 2011 experiment ATLAS a ve včerejším (17.9.) semináři v CERN byla představena podobná analýza experimentu CMS na datech z roku 2016, přičemž tento seminář byl uveden generální ředitelkou CERN Fabiolou Gianotti. CERN má k W bosonu (W boson existuje ve dvou nábojových verzích, kladný a záporný, všechny analýzy mezi těmito nábojovými stavy nerozlišují) emočně blízký vztah, neboť v CERN byl na jaře 1983 objeven a za tři týdny to bude přesně 40 let co za tento objev získali Carlo Rubbia a Simon Van der Meer Nobelovu cenu za fyziku.  Starší data jsou pro měření hmotnosti W bosonu vhodnější, protože intenzita srážejících se svazků protonů byla v letech 2011 a 2016 podstatně nižší než v současné době, kdy se hledají signály „nové fyziky“ a důraz je proto kladen na co největší počet srážek, při nichž ovšem vznikají tisíce částic, které znemožňují přesné měření hmotnosti bosonu W.

Nebudu proceduru měření hmotnosti W bosonu podrobněji popisovat, jen připomínám, že W boson se za tři deseti-miliontiny miliardtiny miliardtiny vteřiny rozpadne na pár kvarku a antikvarku nebo leptonu a příslušného neutrina. Z hlediska vydělení případu rozpadu W boson a potlačení pozadí od jiných procesů jsou nejvhodnější módy rozpadu W bosonu na páry elektron a elektronové antineutrino a záporný mion a mionové antineutrino (či páry jejich antičástic). Hmotnost W bosonu se pak určuje ze spekter elektronů a mionů jako funkcí jejich příčné hybnosti, tedy hybnosti kolmé na směr srážejících se protonů. Protože neutrina detektory nezaregistrují, případy rozpadu W bosonu jsou charakteristické tím, že v nich má elektron/mion příčnou hybnost typicky rovnou polovině hmotnosti W bosonu, přičemž tato příčná hybnost není vybalancovaná žádnou detegovanou částicí.

A nyní krátké shrnutí výsledků nových analýz experimentů ATLAS a CMS a jejich srovnání s předpovědí Standardního modelu (SM) a výsledkem experimentu CDF.

ATLAS: m_W = 80 366.5 ± 15.9 MeV

CMS: m_W = 80 360.2 ± 9.9 MeV

SM: m_W = 80 361.9 ± 6.4 MeV

CDF: m_W = 80 433 ± 9 MeV/c

Na následujícím obrázku jsou tyto výsledky uvedeny spolu se starší analýzou experimentu D0 ve Fermilab, kombinací výsledků experimentů na srážeči elektronů a pozitronů LEP a experimentem LHCb v CERN.

Situace je tedy jasná, všechna měření, kromě měření CDF, jsou vzájemně konzistentní a souhlasí s předpovědí Standardního modelu. Na konci článku v Science jeho autoři konstatují, že jejich výsledek se liší o 7 standardních odchylek od předpovědi Standardního modelu. To je obrovský rozdíl a pravděpodobnost, že by byl projevem statistické fluktuace, je zhruba stejný, jako pravděpodobnost, že hodím šestku 15krát za sebou.

Nové výsledky měření hmotnosti W bosonu budou možná zajímat i čtenáře webu Hvězdárny Františka Pešty, která text BBC či Českého rozhlasu přejala hned 9.4. 2022 v příspěvku Co je špatně na základním modelu vesmíru?

Moje odpověď na tuto otázku zní: „Pořád nic“.