Existuje hypotetická částice X 17?

Fyzika nás učí, že existují 4 základní interakce, tedy přírodní síly, které vše ovládají a vysvětlují konstrukci světa dle současného stavu poznání - gravitace, elektromagnetická síla, slabá a silná interakce. Zdá se, že vědci jsou na stopě páté fundamentální přírodní síly. Atilla Krasznahorkay a jeho kolektiv z maďarského Ústavu jaderného výzkumu maďarské akademie věd Atomki v Debrecínu již celou řadu let studují rozpad radioizotopu beryllia-8. V roce 2016 uveřejnili podrobnosti o náhodném objevu, o němž se domnívají, že v něm hraje roli neznámá částice. Později byla tato částice označena jako možný náznak existence páté síly. Nyní tito výzkumníci objevili další anomálii, tentokrát z oblasti přenosu energie, která souvisí s excitovaným stavem jádra hélia. Mohlo by se jednat o projev stejné částice. Vypočítali, že tato částice má hmotnost kolem 17 megaelektronvoltů a je tedy asi 33× těžší než elektron. Proto ji nazvali X 17.

Zdá se, že tato částice odvádí energii z atomového jádra a potom se rozpadá na elektron-pozitronový pár, což lze snadno detekovat. Obvykle se elektron a pozitron rozlétají do jednoho směru, avšak při experimentech s berylliem-8 se ukázalo, že dráhy částic měly úhel 135 stupňů. Při pokusech s heliem byl nalezen úhel 115 stupňů. Tento rozdíl je významný, protože přeměny hélia se uskutečňují při vyšší energii než je tomu u beryllia. Čím je větší energie, tím menší je očekávaný úhel. Jonathan Feng, teoretický částicový fyzik z University of California v Irvine, prohlásil, že jestliže je úhel způsoben existencí nové částice, musí se projevovat přesně tímto způsobem. Feng zkoumal údaje z roku 2016. V té době se domníval, že částice X 17 musela být schopná reagovat jen s neutrony, jinak by už byla detekována. Tato částice nemůže využívat kteroukoliv již známou přírodní sílu. Musí reagovat prostřednictvím síly, která nesouvisí s gravitací, elektromagnetismem, ani se dvěma jadernými silami.

Jízdenka do Stockholmu

Pokud bude částice potvrzena, bude to jistá „jízdenka do Stockholmu“, která „zvýší naše chápání vesmíru,“ řekl Jesse Thaler, teoretický částicový fyzik na Massachusetts Institute of Technology. Na rozdíl od Higgsova bosonu - částice objevené v roce 2012, která byla posledním chybějícím kouskem standardního modelu částicové fyziky - tento nepředvídaný boson a doprovodná síla povedou k úplnější teorii přírody. Fyzici zoufale hledají rozšíření standardního modelu, aby odpovídal na otázky temné hmoty, neutrinové hmoty, sjednocení sil a další záhady. Je pozoruhodné, že zatímco k výrobě těžkého Higgsova bosonu byl potřebný největší supercollider na světě, hypotetický maďarský boson je tak lehký, s hmotností pouze 33krát vyšší než elektron, že se mohl v experimentech objevit už před desítkami let. Pokud skutečně existuje, jak to, že si ho nikdo dlouho vůbec nevšiml? Většina odborníků zůstane skeptická, dokud se neobjeví další důkazy. Feng říká: „Je obrovsky odvážné říct, že byla objevena pátá síla. Samozřejmě se to musí zkontrolovat a potvrdit.“

Tým Jonathana Fenga v Irvine pracoval na ověřování maďarských experimentů několik měsíců.

Rouven Essig, teoretický částicový fyzik na Stony Brook University, který se označil za „velmi skeptického“, řekl, že „by bylo šílené to nezkontrolovat, protože pokud je to pravda, bude to fantastické; bude to přepis, obrovský skok fyziky".

Odvážný výrok

O vědcích z Ústavu pro jaderný výzkum Maďarské akademie věd Atomki v Debrecínu, než se jejich odvážné tvrzení objevilo v renomovaném fyzikálním časopise v dubnu 2015, v podstatě nikdo nevěděl. Bartosz Fornal, postdoktorandský výzkumný pracovník v Irvine, narazil na článek zcela náhodně v prosinci při vyhledávání na Google. Fornal, Feng a jejich kolegové byli zaujati. To, že se o článku neví, připisují „kulturní mezeře“ oddělující jadernou a částicovou fyziku: „Jaderní fyzici nevěděli, co si o tom myslet, protože požadavky na nové částice nejsou ve skutečnosti jejich věcí", řekl Feng, „a částicoví fyzici, kteří se samozřejmě nesmírně zajímají o jakékoli známky nové částice, jednoduše nečtou arxiv.org.“

Ve vlastním příspěvku zveřejněném na arxiv.org v dubnu letošního roku a předloženém k publikaci, tým z Irvine popsal výsledek vědců Atomki takto: Když jádro berylia-8 podstoupí určitý energetický přechod, uvolní energii téměř vždy ve formě fotonu, který je zprostředkovatelem elektromagnetické síly. Někdy se foton okamžitě rozpadne na elektron a pozitron, které jsou poháněny dynamikou fotonu dopředu a zasáhnou detektor blízko sebe. Ale jednou za každý milion rozpadů fotonů vyzáří beryllium-8 jiný druh vektorového bosonu, dočasně nazvaného X, který zprostředkovává novou základní sílu. Tento pomalu se pohybující boson X, který má hmotnost 16,7 milionu elektronvoltů (MeV), se rozdělí na pár elektron-pozitron. Protože se nedostanou tak dopředu, jako produkty rozkladu fotonů, odkloní se zbytky X bosonu v širším úhlu a zasáhnou detektor v úhlu asi 140 stupňů.

Experimentální nastavení v Atomki zahrnuje bombardování beryliového cíle protony za účelem prozkoumání jeho jaderného rozpadu. Tato technika je poněkud odlišná od obvyklých metod detekce částic, užívaných například u velkého hadronového collideru (LHC) v CERN, který rozbíjí částice při vysokých energiích a pozoruje výsledné částice emitované při srážce.

V letech 2017–2018 byly experimenty v ústavu Atomki opakovány na novém Aandkiho urychlovači Tandetron pomocí kompletně renovovaného spektrometru a anomálie chování elektron pozitronového páru byla reprodukována. A v červnu 2019, když vědci zkoumali přechod excitovaného jádra ⁴He, pozorovali další anomálii v relativním úhlu elektron-pozitronových párů 115 stupňů.

Hledá se pomoc s výzkumem

Maďarští výzkumníci hledají jiné nezávislé výzkumné skupiny, které by potvrdily, zda uvedená částice opravdu existuje. Kdyby se existence částice potvrdila, otevřela by se nová cesta v částicové fyzice. Tato částice by pak mohla být spojovacím článkem mezi normální hmotou a temnou hmotou. O částici X 17 se rovněž zajímá italský ústav jaderného výzkumu ve Frascati. Spustil experiment PADME – Positron Annihilation into Dark Matter Experiment. Jeho výzkumníci shromáždili v roce 2019 potřebná data a v roce 2020 budou pokračovat v experimentech. Výsledky by měly být k dispozici v roce 2021. Mluvčí PADME, Mauro Raggi, prohlásil: „Anomálie berylia-8 byla publikována ve velmi kvalifikovaném odborném časopise. Musíme velmi pečlivě vyhodnotit výsledky. Otázka zní, zda tento problém je, či není spojen s novou částicí. PADME pomůže tuto otázku osvětlit.“

Další pokusy

Kosmologická pozorování naznačují existenci temné hmoty s novou interakcí přenášenou bosonem s hmotností v rozsahu 1 MeV - 1GeV. Anomálie ve tvorbě elektron-pozitronového páru objevená v ATOMKI jde vysvětlit různými způsoby včetně scénáře zahrnujícího boson s hmotností 16,7 MeV (X17). Vědci nyní navrhují program teoretického výzkumu se dvěma hlavními úkoly: pomocí zobecněné Einsteinovy teorie poskytnout přirozené vysvětlení existence X17, a navrhnout třítělesový model excitací jader ⁸Be, ¹²C, ¹⁶O a ²⁰Ne s energií vyšší než 17 MeV. Na základě tohoto modelu mohou být některé vlastnosti těchto jader vypočteny jak s příspěvkem X17, tak bez něj. Poté s modelem porovnat budoucí experimenty.

Vloží se do toho CERN

Teoreticky se očekává, že bude objeveno více částic s vlastnostmi podobnými X17. Potřeba dozvědět se o nich více dala vzniknout nejnovějšímu výzkumu i v samotném evropském středisku jaderného výzkumu CERN. Experimenty vyžadují konstrukci nového detekčního systému s názvem FASER (Forward Search Experiment). Vývoj nového detekčního systému je odůvodněn skutečností, že velké zařízení, které je v současné době v provozu v CERN, je vhodné pouze pro detekci částic s mnohem větší hmotností. (Příkladem je nově objevený Higgsův boson, který má více než 7 000násobek hmotnosti X17.) Podle oznámení na zpravodajském portálu CERN byl vývoj detektorového systému FASER zahájen, první sběr dat je plánován na roky 2021-23.

Zdroje:

Stuart Clark: Another surprise hint of fifth force. New Scientist, 2010, č. 3257, s. 11

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.116.042501

https://arxiv.org/abs/1803.07748