V úterý 15. prosince bylo ve velké posluchárně střediska CERN nabito. Od tří hodin představovaly své výsledky za letošní rok přístroje Atlas a CMS na urychlovači LHC. Mezi odborníky se už pár týdnů před přednáškou šířily zvěsti o možném novém objevu s „revolučním“ dopadem. Ve srážkách částic s LHC se měla objevit vzrušující stopa možné nové částice.
Pokud zvěsti nelhaly, měla se objevit v místech, kde ji nikdo nečekal - v přímém protikladu třeba k Higgsovu bosonu, který vědci hledali v rozmezí určeném teorií. Což naznačuje, že by se mohlo jednat o nový „úlovek“, který dosavadní fyzikální modely nepředpovídají. Přesně v něco podobného řada vědců doufá, protože fyzika (přesněji částicová fyzika) se dnes potýká v některých důležitých oblastech s nedostatkem experimentálních výsledků.
Objev Higgsova bosonu nejen symbolicky v podstatě uzavřel jednu kapitolu dějin oboru. Během posledních desetiletí vytvářená teorie označovaná jako Standardní model se díky „higgsovi“ stala v podstatě kompletní. Dnes už vysvětluje vznik, podobu a chování všech známých částic a její výsledky s velkou přesností odpovídají všem měřením. Přesnost předpovědí ukázal i objev Higgsova bosonu: teoretici dokázali experimentátorům říci, jak má částice zhruba vypadat, a ti mohli postavit takový urychlovač, který měl šanci ho najít.
Ve fyzice je ovšem ještě spousta nezodpovězených otázek (třeba co tvoří největší část hmoty ve vesmíru, která podle všeho je jiného typu než hmota, ze které jsme my, hvězdy i planety). Jen se Standardním modelem si při snaze o pochopení celého vesmíru nevystačíme. Je to nepochybně velmi úspěšná teorie, ale přitom je tak dokonale kompletní a uzavřená, že vůbec nenaznačuje, kterým směrem se vydat dále. Teoretičtí fyzikové tak čekají, zda se neobjeví nějaký nový výsledek, který by jim směr naznačil. Velmi dobrou stopou by byl i objev nové částice, kterou Standardní model nepředpovídá a která se mu vymyká.
Vidíme... Co vlastně?
Záběry z řídícího stanoviště LHC během průběhu prvního svazku na Květnou neděli 2015.
Naděje vkládané do úterních prezentací se rozhodně nenaplnily stoprocentně – objev nové částice rozhodně oznámen nebyl. To ale asi nikdo ani v nejdivočejších snech nečekal. K podobnému objevu je zapotřebí dlouhodobý sběr údajů a ověřování a na to nebylo dost času. LHC byl po dvouletém „upgradu“ restartován letos v dubnu a plného výkonu poprvé dosáhl na konci května. Navíc jeden z detektorů, CMS, měl technické potíže a údaje sbíral asi jen 75 procent doby.
Anomálie je tedy zatím založena vlastně dohromady jen na několika desítkách případů srážek s nečekaným průběhem. Tolikrát se stalo, že z oblasti srážek urychlených částic vyletěl pár částic gama záření (tedy gama fotonů) s hmotností/energií 750 gigaelektronvoltů (GeV) (jednotku vysvětlujeme v boxíku a víme, že to není úplně totéž - ovšem správná formulace „pár fotonů s latentní energií v klidové soustavě 750 GeV“ je na poměry tohot textu příliš). Událost s největší pravděpodobností znamená, že během srážek energií nabitých částic vznikla jedna ještě mnohem hmotnější částice s klidovou hmotností 750 GeV (tedy cca jako tři atomy uranu), která se prakticky okamžitě rozpadla na detektorem zachycené fotony.
Proč GeVy a TeVy?Elektronvolt (eV) není jednotka hmotnosti, ale jednotka energie. Je roven energii, kterou získá elektron urychlený ve vakuu napětím jednoho voltu. A protože mezi energií a hmotností existuje pevný vztah (slavné E=mc2), lze jednotku energie použít i k vyjádření hmotnosti. Správně by se mělo v takovém případě psát eV/c² (tedy lomeno druhou mocninou rychlosti světla), podle nepsané fyzikální konvence se ovšem tato část vynechává. Jednotka se používá pro vyjádření hmotnosti jednotlivých částic i proto, že výsledná čísla jsou mnohem lidštější, než kdyby se pracovalo se zlomky kilogramu. Porovnejme se to na příkladu elektronu: ten má hmotnost buď 511 kiloelektronvoltů nebo 9,11x10-31kilogramu. A jeden proton váží příjemných 0,931 gigaelektronvoltu (při rychlém počítání z hlavy to jde zaokrouhlit na jedna). |
Tedy možná. Nadbytek těchto fotonů zaznamenaly sice oba detektory nezávisle na sobě, ale ani dohromady jejich údaje nestačí na rozumnou míru jistoty. Podobná událost může velmi snadno být jednoduše náhodná. Nové částice totiž vznikají neustále všude, včetně vnitřku detektorů na LHC. Mohou za to dobře záme, z hlediska fyziků zcela „nudné“ procesy předpovídané Standardním modelem. Tyto vznikající částice představují tedy „šum“ či „pozadí“, které je nutné od výsledků srážek částic z LHC odečíst.
Což nejde úplně jednoduše, protože známé fyzikální zákony sice předvídají, jak by srážky měly probíhat, ale jen statisticky: nedokážou předpovědět průběh každé konkrétní. Snadno se tak může stát, že o během úplně přirozených procesů čirou náhodou „padne“ mnohokrát za sebou stejná hodnota a v jednom místě se v jednu chvíli zcela přirozeně vytvoří třeba právě přebytek fotonů, které vypadají jako pozůstatek po rozpadu nějaké exotické částice. Jen opakovaným sledováním lze zjistit, zda to tak opravdu je, nebo ne. Jiný způsob určení pravdy neexistuje.
Přebytek vznikajících fotonů o celkové energii 750 GeV by v prezentacích stál možná tak za poznámku pod čarou, kdyby ho nezaznamenaly oba experimenty zhruba na stejném místě. Mimochodem přesně tohle je důvod, proč jsou na LHC takové detektory dva – mají se vzájemně kontrolovat. Pravděpodobnosti lze pak „sečíst“ (tak jednoduché to není, ale to nechejme stranou) a ve výsledku jde o možnost už relativně zajímavou.
Ne že by nemohlo jít o náhodu. Při prvním pohledu na výsledky se může zdát, že objev je v podstatě potvrzený, protože se statisticky má jednat o náhodu jen s pravděpodobností menší než 1:1 000, velmi zhruba řečeno, znalci snad odpustí. (Pro ně řekněme, že ve výsledcích CMS je (lokální) sigma zhruba 3, u Atlasu kolem 3,5. V této hodnotě nejsou zohledněny data z běhu před upgradem, která anomálii nevylučují, ale ani výrazně nepotvrzují. Jejich význam bude ale pro další analýzy stále menší, jak bude přibývat nových údajů. Dobrat se tedy jasného určení pravděpodobnosti, že jde o náhodu, je ovšem dosti obtížné a stále je to předmětem odborných debat.)
„Anomální“ přebytek fotonových párů s energií 750 GeV statisticky znázorněný na grafu detektoru ATLAS (kde byl výraznější než u druhého velkého detektoru na LHC, tedy CMS). Vypadá na pohled velmi přesvědčivě, ale to nemusí nic znamenat. V levém grafu černé úsečky vyznačují kolem jednotlivých bodů míru nejistoty. Červená křivka vyznačuje předpokládané částicové pozadí, tedy míru výskytu částic vznikající zcela běžnými a dobře známými procesy spontánně v prostoru detektoru.
„Jedna ku tisíci“ zní hodně jistě, ale v ohromném kvantu dat, se kterými částicová fyzika pracuje, podobné výsledky nic nezaručují. V minulosti se vytratily i „objevy“, které vypadaly mnohem jistěji – třeba takové, při kterých byla role náhody považována za šanci menší než 1:100 000 či více. Fyzikové hrají částicovou loterii tak často, že někdy se i takové věci stanou. Slabší náznaky se samozřejmě objevují mnohem častěji a stejně často také mizí v zapomnění.
Něco podobného se stalo i v minulé sezoně na LHC, protože i tam se vyskytovaly jisté lákavé naděje na nové objevy, letošní data je ovšem všechna shodila ze stolu. Není v nich vlastně nic, co by dávalo naději na objevy za Standardním modelem – s výjimkou zvýšeného počtu párů fotonů s energií 750 GeV.
A tak možná není divu, že je o anomálii takový zájem. Třeba český fyzik a bloger Luboš Motl, který před čtyřmi lety vyhrál sázku o existenci Higgsova bosonu považuje objev nové částice za „poměrně pravděpodobný“. Samozřejmě, že není nouze ani o větší skeptiky; třeba fyzik Jiří Chýla z Fyzikálního ústavu nad údaji z LHC jen řekl, že v nich není nic, co by se „slušnou pravděpodobností“ naznačovalo existenci nové částice.
Nyní je každopádně nutné čekat. LHC je na zimu odstavený a do provozu by měl být uveden v průběhu března. Do té doby se určitě mohou objevit nové teorie, které zaujmou svou matematickou důmyslností či jinými prvky, ale neexistuje způsob, jak existenci případné částice vyvrátit, nebo potvrdit. Sběr výsledků pak bude ještě nějakou dobu trvat a na konci roku by měly detektory na LHC mít k dispozici nejméně desetkrát více údajů než nyní. Anomálie by pak měla buď definitivně zmizet, nebo se změnit v senzaci.
Jaká částice by to mohla být?
Protože čekání na další výsledky bude poměrně dlouhé, připravili jsme pro čtenáře se zájmem o fyziku i dávku spekulací a dohadů na závěr.
Pokud se naplní naděje optimistů a náznaky se potvrdí, nejspíše by se jednalo o částici patřící mezi tzv. bosony. Jsou to částice, které netvoří stabilní struktury (třeba hmotu, ze které jsme my), ale pro existenci vesmíru jsou nezbytné. Kromě Higgsova bosonu je příkladem i foton, tedy částice elektromagnetického záření od viditelného světla po gama záření či rádiové vlny.
Víme to díky tomu, že produktem rozpadu jsou dva fotony se spinem 1 (spin je kvantová vlastnost částic, která prostě nemá v klasické fyzice obdobu). Celkový spin hypotetické částice by musel být součtem spinu obou vzniklých fotonů, a musel by tedy být celočíselný – a celočíselný spin mají právě jen bosony. Částice, které tvoří běžnou hmotu a jsou obvykle mnohem trvanlivější, tedy fermiony, mají spin poločíselný (1/2, 3/2 atp.).
Laik by v tuhle chvíli asi odhadl, že spin téhle možné částice bude 2 – a pletl by se. Ano, mohl by být 2, ale také 0 nebo 1. Nebudeme zabíhat do detailů, nevěděli bychom, kde přestat, ale částicová fyzika už je taková. „Spin 2 je dokonce velmi málo pravděpodobný, protože jediná částice, u které je povolený, je graviton,“ říká Luboš Motl. Graviton je zatím neobjevená částice, která má zprostředkovávat působení gravitace mezi částicemi. V úvahu možná připadají ještě nějaké hodně exotické možnosti (když to chcete vědět, tak třeba „nabuzené“ gravitony spojené s vyššími dimenzemi), ale možnost existence takových částic v rozmezí energií, které vytváří LHC, už celkem přesvědčivě vyvrátily jiné pokusy.
Není příliš pravděpodobné, že by mohlo jít o částici se spinem 1, tedy možná trochu podobnou bosonům Z. Ty zprostředkovávají působení tzv. slabé síly v jádrech atomů. Ale rozpad těchto částic na dva fotony by neměl být možný.
Mohlo by jít třeba o další Higgsův boson – tedy další částici spojenou s existencí „síly“ (pole). To může znít možná zvláštně, ale z hlediska teorie to není nic nemožného. Některé stále uvažované teorie, které chtějí vykročit za dnes známou fyziku (tedy za Standardní model), totiž přímo vyžadují, aby Higgsových bosonů bylo více. Řeč je především o takzvaných supersymetrických teoriích, které velmi zjednodušeně předpokládají, že dnes známé částice mají mnohem exotičtější partnery, které zatím neznáme. Nemá smysl zabíhat do detailních vysvětlení, ale teorie by v důsledku mohla překročit omezení současné fyziky, například to, jak sjednotit kvantovou teorii a gravitaci.
Existuje celá řada supersymetrických teorií. Supersymetrickými je dělá to, že v některých jejich rovnicích můžete vyměnit určité, předem dané výrazy (třeba ty, které zastupují fermiony se spinem 1/2) a rovnice dále fungují. Existuje tak třeba Minimální supersymetrický standardní model (MSSM), což je vlastně rozšíření běžné představy o částicích o supersymetrické rysy. A jak to v takovém modelu vypadá s Higgsovými bosony? V MSSM neexistuje jeden Higgsův boson, ale pět.
Záběr sestavování detektoru CMS na urychlovači LHC. Je to jeden ze dvou největších detektorů v tunelu pod střediskem CERN, které odvádí hlavní díl práce při hledání Higgsova bosonu
Higgsův o hmotnosti 750 GeV by možná byl trochu překvapivý. Jinak řečeno, teoretici ho přímo v téhle oblasti nečekají - na rozdíl třeba od objevu zatím jediného prokázaného Higgsova bosonu před čtyřmi lety, který byl víceméně na svém předpokládaném místě. To nemusí být žádný velký problém, nové teorie ve fyzice vznikají ještě rychleji, než se je daří vyvracet. Brzy se tak může objevit nějaký logický rámec, který ukáže, že taková částice by mohla existovat bez toho, abychom museli hodit za hlavu všechno, co se fyzika o světě dozvěděla a co zcela zjevně funguje.
Je také možné, že by nemuselo jít o elementární částici, ale o částici složenou z několika různých elementárních částic, jak se píše hned v první vědecké práci zveřejněné po oznámení výsledků, která se pokouší pozorování vysvětlit. Vyloučit to v tuto chvíli zcela nelze, ale nejrychlejší vysvětlení neznamená nejlepší... Není třeba jasné, proč fyzikové na LHC neviděli jednotlivé součástky složené částice.
Podle některých teoretiků by dokonce pozorování mohlo vysvětlovat i tzv. temnou hmotu. To je hmota, kterou sice nemůžeme pozorovat, protože nic nevyzařuje a měla by být prostupná i pro jiné záření, ale zároveň podle všeho gravitačně působí na své okolí (jednodušeji řečeno pohyb některých galaxií po obloze nedokážeme vysvětlit jinak než přítomností neviditelné hmoty – inu, fyzika jsou vlastně jen logická kouzla). Jedna čerstvá hypotéza tak tvrdí, že záhadný „hrb“ by mohl být projevem částice, která se kromě fotonů může rozpadnout i na částice temné hmoty (má jít o fermion o hmotnosti 300 GeV).
Jedeme na plný plyn
Už několik hodin po zveřejnění experimentálních výsledků byla na serveru s vědeckými články arxiv.org publikována desítka článků tento možný signál vysvětlujících teoreticky. (Autoři prokazatelně na článcích pracovali už delší dobu před oficiálním oznámením, protože slyšeli „zvěsti“.) Druhý den se k nim přidalo osm dalších a třetí den 20 článků, které většina částicových fyziků poprvé spatřila v pátek ráno.
Mezi těmito asi 40 články (zatím) najdeme různá teoretická vysvětlení pozorování. Autoři se víceméně shodnou, že existuje-li tato nová částice, musí existovat i několik dalších nových částic. Nejjednodušší supersymetrické modely tedy MSSM jsou prakticky vyloučeny. Naopak řádka článků ukazuje, že by touto objevenou částicí mohlo být takzvané sgoldstino, supersymetrický partner goldstina, které je samo o sobě součástí gravitina, supersymetrického partnera gravitonu, částice gravitačních vln, která „přenáší“ gravitační sílu. Gravitino by pak pravděpodobně tvořilo „temnou“ hmotu.
Ovšem další články mluví o tom, že CERN mohl objevit i mnohem exotičtějí částice. „Možná něco z teorií technicolor, nebo složené Higgsovy bosony, těžké axiony, pseudo-Nambu-Goldstonovy bosony nebo – a to je možná nejodvážnější – takzvané radiony, částice bez spinu, které existují v teoriích se zakřivenou pátou dimenzí časoprostoru, takzvané modely Randallové-Sundrumovy,“ říká Luboš Motl, který, dodojme, vlnu nových článků sleduje s evidentní potěšením. (Dodejme k jeho vyjádření jen krátce to, že radion je částice předpovězená pro potřeby teorie, podle které je náš vesmír v posledku vlastně výsledkem „spolupráce“ vícerozměrných jevů. Přesněji řečeno je to částice vlny, díky níž je vzdálenost mezi dvěma „konci tohoto pětirozměrného světa“ závislá na poloze a čase v obvyklých 4 dimenzích.)
Motor teorie se tedy rozjel – což ale nic neznamená. Opakujeme, že podobné anomálie se v experimentech objevují pravidelně a v drtivé většině případů z nich nic není. Ale přebytek fotonových párů s energií je 750 GeV je to nejzajímavější, co se v údajích z LHC za rok 2015 objevilo a navíc to může být pro fyziku opravdu zásadní objev - a tak nám snad odpustíte, že se mu takto věnujeme už ve fázi nepotvrzených dohadů. A pokud se signál potvrdí, budou mít teoretici asi hodně práce alespoň přibližně přijít na to, co vlastně pozorují. K částici by se mohly postupně přidat další a, jak pravil pařížský fyzik Adam Falkowski, v takovém případě by mohla částicová fyzika vstoupit do nového zlatého věku.
