Byla ve Fermilabu a CERN objevena „nová fyzika“?

Tento článek vyšel v čísle 4/2021 Československého časopisu pro fyziku, vydávaného Fyzikálním ústavem Akademie věd ČR. Autorem je Jiří Chýla ze sekce fyziky elementárních částic.

 

 

 

Smyslem tohoto článku není podrobnější popis uvedeného experimentu, k němu se dostanu krátce na konci, ale pokus vystihnout skutečný význam vý­sledku experimentu ve Fermilabu a zasadit ho do kon­textu již více než 40 let trvající snahy najít signály oné nové fyziky. Přesně dva týdny před ohlášením výsled­ku experimentu ve Fermilabu [2] byl v CERNu v expe­rimentu LHCb oznámen podobně závažný nesouhlas předpovědi standardního modelu a experimentál­ních dat ve vzácných rozpadech mezonů obsahujících b-kvark, který může mít stejnou implikaci pro hledání jevů jdoucích za standardní model jako v případě mag­netického momentu mionu [3]. V obou případech však jde zatím jen o, jak se říká, „napětí“ (tension) mezi ex­perimentálními daty a standardním modelem a jejich interpretace není zdaleka jednoznačná. Nejdříve proto krátce o standardním modelu.

Standardní model

Standardní model je teorie budovaná na základě kon­frontace experimentálních dat a teorie od padesátých let minulého století. Podle něj jsou základními staveb­ními kameny veškeré nám známé hmoty ve vesmíru tři čtveřice (obvykle nazývané „generace“) fundamentál­ních částic se spinem 1/2, viz obr. 1. V první čtveřici jsou dva kvarky s různými „vůněmi“ – u a d – a dva lepto­ny s různými vůněmi – elektron a elektronové neutri­no. Kvarky a elektron nesou elektrický náboj, kvarky neceločíselný, neutrino je elektricky neutrální. Kvarky navíc existují ve třech mutacích, kterým říkáme poe­ticky barvy. Mezi těmito čtyřmi částicemi a jejich anti­částicemi působí tři síly spojené s částicemi zvanými „nosiče“ sil a souhrnně označovanými jako kalibrační bosony, které mají spin 1. Tyto síly jsou:

• elektromagnetické – působí jen na elektricky nabité kvarky a leptony a nemění jejich identitu, tj. vůni a barvu. Nosičem je foton;
• slabé – působí na všechny kvarky a leptony a mohou měnit vůni, ale ne barvu kvarků a vůni leptonů (tj. popisují přechody mezi kvarky u a d a elektronem a jeho neutrinem). Nosiči jsou tři intermediální vektorové bosony W⁺, W^– a Z;
• silné – působí jen mezi kvarky a mohou měnit jejich barvu, ale ne vůni. Nosiči je osm barevných gluo­nů. Pozoruhodnou vlastností těchto sil je skuteč­nost, že kvarky neexistují v přírodě volné, ale vždy jen jako kombinace kvarků a antikvarků, které jsou „bezbarvé“, například tří kvarků nebo páru kvark a antikvark.

Konstrukci standardního modelu završuje Higgsův boson, který zajišťuje jeho matematickou konzisten­ci (renormalizovatelnost) a má spin 0. Gravitační síly mají zcela jinou povahu a stojí mimo standardní mo­del. Žádná síla ve standardním modelu nemění kvarky na leptony a obráceně – buď je částice kvark, nebo lep­ton, ale ne oboje současně. Celkový počet kvarků mi­nus antikvarků a celkový počet leptonů a antileptonů se proto ve standardním modelu zachovávají.

Z kvarků první generace jsou složeny například pro­tony a neutrony, které spolu s elektrony vytvářejí ato­my. Elektronové neutrino hraje klíčovou roli například v procesech spalování vodíku v nitru Slunce. Kdyby šlo jen o hmotu ve vesmíru, kterou známe, žádné další kvarky a leptony bychom nepotřebovali. Přesto další dvě generace kvarků a leptonů existují (viz obr. 1) a my tomu empiricky odvozenému faktu rozumíme z vel­ké části s použitím antropického argumentu, tj. kon­statování, že kdyby neexistovaly, neexistovali bychom ani my, protože by se vesmír nevyvinul do stavu, který umožňuje vznik živé hmoty. Ve druhé generaci základ­ních částic existuje asi 200krát těžší bratříček elektro­nu, již zmíněný mion.

Problémy standardního modelu

Základní kostra standardního modelu byla dobudová­na v polovině 70. let minulého století poté, co byla for­mulována kvantová chromodynamika, teorie silných sil mezi kvarky a objeven půvabný kvark, čímž byla uzavřena druhá generace kvarků a leptonů. Pátý kvark b byl objeven v roce 1977, šestý – t – v roce 1995 a Higg­sův boson v roce 2012.

Standardní model je pozoruhodně úspěšný při po­pisu prakticky všech existujících experimentálních dat o vlastnostech a interakcích známých částic. Fy­zikové jsou ovšem se standardním modelem nespoko­jení již delší dobu, protože má některé vady na kráse. Obsahuje asi 25 volných parametrů, např. hmotnos­ti všech částic a jejich vazbové konstanty, a elektro­magnetické, slabé a silné síly v něm sice mírumilov­ně koexistují, ale nejsou v pravém smyslu sjednoceny. Neobsahuje také žádnou částici, která by mohla být kandidátem na vysvětlení podstaty tzv. temné hmoty ve vesmíru. Ta je v dnešním standardním kosmologic­kém modelu potřeba k vysvětlení struktury spirálních galaxií a dalších jevů. Mělo by se jednat o částice, kte­ré by existovaly všude ve vesmíru, ale my bychom je neviděli a o jejich existenci by svědčilo jen jejich gra­vitační působení na viditelné objekty, jako jsou právě hvězdy. Není ovšem vyloučeno, že žádná temná hmota neexistuje a empirická data mají jiné vysvětlení. Fyzi­kové se proto již více než 40 let snaží rozšířit standard­ní model přidáním nových sil a s nimi souvisejících částic. Existují dva základní směry, jak standardní model rozšířit.

Nová fyzika: leptokvarky?

První směr opouští výše zmíněný zásadní rozdíl mezi kvarky a leptony a zavádí síly a s nimi spojené částice, zvané leptokvarky. To jsou bosony, které mohou měnit kvarky na leptony a obráceně a jsou tedy současně kvar­ky (a tedy nesou barvu) a leptony. Konkrétních realiza­cí tohoto směru existuje mnoho, v některých existuje dokonce možnost, že leptokvarky jsou současně i di­kvarky a mohou proto měnit kvark na antikvark. To by vedlo k dramatické možnosti, že proton by byl nestabil­ní a mohl se rozpadat například na pozitron a neutrální pion. Žádný rozpad protonu nebyl dosud pozorován, ale stabilita protonu a neutronu je empiricky odpozo­rovaný fakt, který nemá hlubší vysvětlení. Leptokvarky nesou barvu, a proto stejně jako kvarky nemohou exi­stovat volné. Mohou být velmi těžké, ale jejich hmot­nosti mohou být i srovnatelné s hmotnostmi bosonů W a Z. Stále se bezúspěšně hledají i na urychlovači LHC v CERNu, ale možná, že zmíněné experimenty ve Fermilabu a CERNu jsou projevem jejich existence, konkrétně například leptokvarku s elektrickým nábo­jem –1/3, který se může rozpadnout na kvarky d, s, b a neu­trina nebo na kvarky u, c, t a elektron, mion či tauon. Důležitým rysem těchto rozšíření standardní­ho modelu je skutečnost, že leptokvarky se na fermiony různých generací nemusejí vázat stejně silně, tj. neplatí pro ně leptonová univerzalita, jež je klíčovým rysem standardního modelu.

Nová fyzika: supersymetrické částice?

Druhý směr je založen na hypotéze supersymetrie, kte­ré bylo nedávno 50 let a která předpokládá, že mezi bo­sony a fermiony není zase tak zásadní rozdíl, jako tomu je ve standardním modelu. V nejjednodušší variantě by ke každé částici standardního modelu měl existovat supersymetrický partner, který by měl spin o polovi­nu jiný. Takže ke všem kvarkům a leptonům standard­ního modelu by měly existovat s-kvarky a s-lep­­tony, které by byly bosony se spinem 0 a ke všem bosonům standardního modelu, nosičům sil i Higgsovu bosonu by měly existovat jejich partneři, což by byly fermio­ny se spinem 1/2. Tato hypotéza připomíná symetrii mezi částicemi standardního modelu a jejich antičás­ticemi, z níž v kvantové teorii plyne naprostá rovnost hmotnosti částic a antičástic. Jakýkoliv jejich rozdíl by měl na naše chápání vlastností prostoročasu drama­tický dopad a neexistuje ani experimentální náznak, že by takový rozdíl existoval. V případě supersymet­rie je situace jiná a je jasné, že pokud taková symetrie v přírodě existuje, musí být hmotnostmi velmi silně narušena. Přes veškeré snahy se ani na nejmohutnějším urychlovači LHC v CERNu nějakou supersymetrickou částici vyprodukovat nepodařilo. Pokud existují, mu­sejí být všechny nejméně tisíckrát těžší než proton. My­šlenka supersymetrie, která vznikla před 50 lety jako čistě matematická možnost, je lákavá především pro kosmology, protože mezi supersymetrickými částicemi by mohla být jedna, která by byla elektricky neutrál­ní a absolutně stabilní a tedy kandidátem na podstatu temné hmoty.

Jak hledat novou fyziku

Žádné nové částice se tedy dosud brutální silou, tj. je­jich produkcí ve srážkách leptonů i hadronů při těch nejvyšších energiích na všech možných urychlovačích, zatím objevit nepodařilo. Možná, že je objeví experi­menty na urychlovači LHC v CERNu v jeho další eta­pě provozu, která začne po jeho zevrubné modernizaci za rok, ale jisté to není. Existuje však i jiný způsob, jak „novou fyziku“ objevit, který se nesnaží nové těžké čás­tice přímo vyrobit, ale opírá se o velmi přesná měření dobře známých veličin, v nichž by se existence nových částic projevila jako velmi malé korekce k předpově­dím standardního modelu, které jsou specifické pro kvantovou teorii pole.

Nejdříve však poznámka ke klasické teorii elek­tromagnetického pole. V ní není hmotnost elektro­nu soustředěna v bodě jako v klasické mechanice, ale je obsažena v energii elektrostatického pole, které ho obklopuje. Z jednoduchého výpočtu na základě Cou­lombova zákona plyne, že tato energie je pro bodový elektron nekonečná v důsledku divergence na malých vzdálenostech od jeho středu a je rovna mc², pokud je elektron kulička o tzv. klasickém poloměru elektronu, který má hodnotu cca 3 femtometry.

V kvantové teorii pole elektron není kulička a jeho popis se od klasické teorie pole liší mimo jiné tím, že v důsledku Heisenbergových relací neurčitosti mají na fyzikální veličiny vliv procesy, které v klasické fyzi­ce probíhat nemohou. Pro intuitivně velmi názornou reprezentaci matematických výrazů pro popis proce­sů v kvantové teorii pole vyvinul Richard Feynman koncem 40. let minulého století diagramy, které jsou od té doby základním nástrojem komunikace mezi fy­ziky. Budu je ilustrovat na příkladu, který je relevantní pro pochopení významu experimentu ve Fermilabu. Na následujících Feynmanových diagramech je gra­fické znázornění několika příkladů kvantových korekcí k vlastnostem mionu.

Na prvním diagramu obr. 2 popisuje horizontál­ní linka volný mion s hybností p, pro nějž stejně jako všechny volné částice platí, že čtverec čtyřhybnosti, tj. rozdíl

p² ≝ E²– p^→2c⁴  je roven m²c⁴. Na druhém diagramu, který je příkladem nejjednodušší kvantové korekce, mion vyzáří foton a zase ho pohltí, přičemž ovšem jak vyzářený foton, tak mion po vyzáření nejsou skutečné, ale tzv. virtuální částice, pro něž výše uve­dený vztah neplatí a veličina pv ≝ ^2– m²c⁴ , zvaná „virtualita“, není rovna nule, ale je záporná. Čtyřhyb­nost virtuálního fotonu je libovolná a integruje se přes ni. Na třetím diagramu se mion v důsledku slabých in­terakcí může na chvíli rozdělit také na pár virtuálního neutrina a bosonu W. Virtualita částice má intuitivní smysl doby života, po níž může existovat. Čím men­ší je virtualita částice, tím více se chová jako reálná částice a naopak. Na obr. 3 se i virtuální foton rozdělí na virtuální páry elektronu a pozitronu, bosonů W⁺ a W^– či kvarku a antikvarku, které se po čase zase spojí na foton.

Na obrázcích 2 a 3 jsou znázorněny základní kvan­tové korekce se dvěma a čtyřmi vrcholy, ale vrcholů a smyček může být neomezeně. Čím více je vrcholů, tím je odpovídajících diagramů více a velikost jejich příspěvků obecně klesá. Na foton se samozřejmě může navázat také jakákoliv další nabitá hypotetická části­ce X a její antičástice, jako na prvním diagramu ob­rázku 4.

Další příklad efektu jdoucího za standardní model je na druhém diagramu obrázku 4, kde mion fluktuuje na pár virtuálního leptokvarku LQ a top antikvarku. Fyzikální mion se v důsledku těchto kvantových efek­tů chová jako komplikovaný objekt, jehož vlastnosti jsou určeny všemi částicemi, s nimiž může interagovat. Můžeme si ho představit jako „holý“ mion obklope­ný oblakem virtuálních částic. Prostřednictvím těch­to kvantových smyčkových korekcí mohou hypotetic­ké nové částice ovlivňovat fyzikální veličiny, aniž tyto částice přímo vyprodukujeme, protože jsou například příliš těžké. Ale musíme v tom případě velmi přesně měřit i počítat.

Magnetický moment elektronu a mionu

Mion a elektron mají ve standardním modelu výjimeč­né postavení, protože jim rozumíme nejlépe. Obě tyto částice jsou charakterizovány svými hmotnostmi, elek­trickými náboji, vnitřním momentem hybnosti (spi­nem) a magnetickým momentem, který velmi zhru­ba řečeno popisuje skutečnost, že elektron a mion se chovají jako miniaturní magnetky. Spin je veličina analogická orbitálnímu momentu hybnosti, ale tato analogie je založena na stejné matematice, stavy elek­tronu a mio­nu se transformují podle stejné grupy rotací ve trojrozměrném prostoru jako orbitální moment hyb­nosti. Elektron či mion si však nelze smysluplně před­stavit jako rotující kuličky. V klasické elektrodynami­ce generuje částice s elektrickým nábojem Q rotující s orbitálním momentem hybnosti L^→ magnetické pole, charakterizované magnetickým momentem

 

kde m je hmotnost rotující částice. V klasické fyzice může L nabývat libovolných hodnot, v kvantové fy­zice jen celočíselných násobků redukované Planckovy konstanty ħ. Z Diracovy rovnice pro volnou částici se spinem ½ (v jednotkáchħ) a hmotností m plyne, že se spinem S je spojen magnetický moment rovný

kde g, tzv. gyromagnetický poměr, je roven g = 2, tj. dvojnásobě větší než u orbitálního momentu hybnos­ti. Efekty spojené s kvantovými korekcemi k chování elektronu a mionu v důsledku jejich interakcí s jiný­mi částicemi, diskutované v předchozí části, přidá­vají ke gyromagnetickému poměru mionu korekce ve tvaru

g = 2 (1 + a_µ),

kde a_µ je tzv. anomální magnetický moment mionu a podobně u elektronu. Tyto základní veličiny charak­terizující elektron a mion jsou ve standardním modelu spočitatelné i měřitelné s ohromující relativní přesnos­tí, a právě proto má jejich srovnání takový význam. Anomální magnetický moment elektronu

a_µ = 116592040(54)·10^-11,

je změřen dokonce s takovou přesností (0,28 části z miliardy), že se z jeho hodnoty do nedávna stano­vovala hodnota samotné konstanty jemné struktury α ≅ 1/137. Ta se dnes stanovuje z měření vlastností ce­sia a s takto stanovenou hodnotou existuje mezi stan­dardním modelem a daty „napětí“ na úrovni 2,4 stan­dardní odchylky.

Anomální magnetický moment mionu ve standardním modelu

Výpočet anomálního magnetického momentu mionu je až na různost hmotností stejný jako u elektronu. Shr­nutí více než 70leté snahy stovek teoretiků spočítat tuto veličinu co nejpřesněji je obsaženo v rozsáhlé práci 132 teoretiků z 82 institucí [4]. Výpočty v rámci porucho­vé teorie vyžadují výpočet cca 14 tisíc Feynmanových diagramů s až deseti vrcholy. K diagramům na obr. 2–4 se pro výpočet anomálního magnetického momentu mionu přidá ještě vrchol popisující vnější magnetické pole, viz obr. 5.
Korekci odpovídající tomuto diagramu,

poprvé spočítal laureát Nobelovy ceny za fyziku Julian Schwinger již v roce 1947. Projevem mimořádné důleži­tosti jeho výpočtu je skutečnost, že číslo α / 2π. je na jeho náhrobním kameni.

Započtení vyšších řádů je nejen technicky velmi náročné, ale v případě započtení smyčky obsahující kvarky (třetí diagram na obr. 3) ho navíc nelze provést poruchovými metodami v rámci kvantové chromody­namiky. Tento příspěvek je hlavním zdrojem neurči­tosti teoretických výpočtů. Existují dvě metody, jak ho spočítat. Jedna se opírá o jeho souvislost s experimen­tálními daty o produkci hadronů ve srážkách elektronů a pozitronů („data based“ metoda), druhá se opírá o ne­poruchový výpočet z prvních principů v rámci kvanto­vé chromodynamiky na mřížce.

Měření anomálního magnetického momentu mionu

Měření anomálního magnetického momentu mio­nu má dlouhou historii, která začala v sedmdesátých letech v CERNu, pokračovala na přelomu tisíciletí v Brookhavenu v experimentu, který jako první od­halil významný nesouhlas měření a_µ se standardním modelem na úrovni 3,7 standardní odchylky, a vyvr­cholila experimentem ve Fermilabu, který na experi­ment v Brookhavenu přímo navazuje. Z Brookhavenu byl do Fermilabu převezen supravodivý magnet a ko­lem něj postavena zbrusu nová aparatura, viz obr. 6, ale sama procedura měření zůstala stejná.

Protože kladně (záporně) nabitý mion je nestabil­ní a za cca 2 mikrosekundy se rozpadá na pozitron (elektron) a neutrino a antineutrino, nelze použít stej­né metody jako v případě elektronu, ale magnetický moment mionu se určuje z měření jeho precese v mag­netickém poli supravodivého magnetu při oběhu mio­nu v kruhovém urychlovači, při němž se v důsledku relativistické dilatace času doba jeho života prodlouží cca 30krát. Podrobněji o této zajímavé metodě pojed­nám v jiném textu.
Měření ve Fermilabu vedlo k hodnotě

a_µ = 116592040(54)·10^-11,

která je o 3,3 standardní odchylky nad standardním modelem a je ve výborném souhlasu s výsledky expe­rimentu v Brookhavenu. Kombinací obou experimentů se rozdíl mezi experimentem a standardním modelem zvětšil na 4,2 standardní odchylky, viz obr. 7.

Tak velký rozdíl je všeobecně považován za evi­denci, že nejde o projev statistické fluktuace expe­rimentálních dat, ale o skutečný efekt. Pravděpo­dobnost, že tento rozdíl je důsledkem statistické fluktuace experimentálních dat, je zhruba stejná jako pravděpodobnost, že hodíte kostkou šestku šestkrát za sebou. Když k tomu dojde, člověk usoudí, že těžiště kostky je pravděpodobně velmi blízko jedné ze stran. Ale jistota to ještě není. Ve fyzice je zvykem považo­vat jev za prokázaný, pokud pravděpodobnost, že jde o statistickou fluktuaci, je na úrovni 5 standardních odchylek, což odpovídá pravděpodobnosti, že hodí­te šestku za sebou osmkrát. Situace by se měla brzy vyjasnit, neboť experiment ve Fermilabu pokračuje a během asi dvou let by měl zvýšit statistiku dat asi desetkrát. To by mělo výrazně zmenšit experimen­tální chyby a za předpokladu, že sama hodnota a_µ se nezmění, by to znamenalo, že statistická významnost rozdílu mezi daty a teorií by se zvětšila až na 7 stan­dardních odchylek.

Zde je namístě připomenout, že historie výpočtů anomálního magnetického momentu mionu šla ruku v ruce s pokrokem v měření této veličiny a stejně jako u dat se průběžně zvyšovala jejich přesnost. Až do pu­blikace výsledků experimentu ve Fermilabu padly všechny teoretické předpovědi standardního modelu pro anomální magnetický moment mionu používající „data based“ metodu do levého, zeleného pásu na před­chozím obrázku. Ten samý den, kdy byl zveřejněn vý­sledek experimentu ve Fermilabu, se v časopise Nature objevil článek [5] obsahující nejnovější výsledek výpo­čtu a_µ, jenž používá pro výpočet hadronové korekce metody kvantové chromodynamiky na mřížce a kte­rý je výrazně blíže datům z Brookhavenu a Fermilabu. Přesnost tohoto výpočtu je ovšem až překvapivě velká a bude nějaký čas trvat, než se ukáže, která teoretická předpověď je správná. Pro další budu předpokládat, že správné jsou předpovědi „data based“ výpočtů a že tedy mezi daty a předpověďmi standardního modelu pro a_µ existuje významný rozdíl.

Mohou za to leptokvarky?

Lze však ze samotného výše uvedeného nesouhlasu usoudit, jaké síly či částice by za něj mohly být odpo­vědné? Jednoznačně rozhodně nikoliv, ale nadějná se zdá být následující možnost. Předně je jasné, že za roz­díl mezi daty a teorií, která je níže než data, nemůže příspěvek smyčkových korekcí s těžkými částicemi X, jako je na obr. 4 vlevo, neboť příspěvek takových smy­ček je potlačen faktorem

kde m_µ je hmotnost hypotetické neznámé částice a mµ je hmotnost mionu. Pro realistické hmotnosti částice X v oblasti 1 TeV je výsledný příspěvek asi tisíckrát men­ší než pozorovaný rozdíl. Nedávno se ovšem objevila hypotéza [6], že za rozdíl může příspěvek leptokvar­ků v diagramu na obrázku 4 vpravo. I když bude lep­tokvark také těžký a top kvark má hmotnost 175 ­GeV/c², příspěvek toho diagramu je naopak zesílen faktorem m_t/m_µ ≅ 1700, který k vysvětlení rozdílu postačí.

Tato možnost je zajímavá i proto, že 14 dní před oznámením výsledků ve Fermilabu oznámila kolabo­race LHCb v CERNu výsledky jejich nejnovějšího mě­ření velmi vzácných rozpadů kladně nabitých mezonů obsahujících kvark b či jeho antikvarku [3]. Ve zhru­ba miliontině případů se kladně nabitý mezon B⁺ roz­padne na kladně nabitý kaon a páry elektron–pozitron nebo kladný a záporný mion:

B⁺ → K⁺µ⁺µ^-, B⁺ → K⁺e⁺e^-,

například podle schématu na obrázku 8.

Klíčovým rysem standardního modelu je univerza­lita vazby intermediálních bosonů W a Z na jednotli­vé generace leptonů, tedy i na výše uvedené rozpadové módy. Jediný rozdíl mezi pravděpodobnostmi rozpa­du na tyto dva módy je důsledkem rozdílu hmotnos­tí: mion je 200krát těžší než elektron, takže jeho fázo­vý prostor je menší než u elektronu. Pokud se ovšem omezíme na kinematickou oblast, v níž je invariantní hmotnost páru lepton–antilepton podstatně větší než 0,2 GeV, což je minimální invariantní hmotnost pro pár µ⁺µ^-, předpovídá standardní model bez jakýchkoliv výpočtů pro poměr R^K 

V tom je zásadní rozdíl oproti srovnání předpovědí standardního modelu s daty pro anomální magnetický moment, které vyžaduje velmi složité výpočty a roky práce stovek teoretiků. Zde jde o principiálně jedno­duchý test základní struktury standardního modelu. K tomu, aby ho bylo možno provést, bylo ovšem nutné nabrat obrovské množství dat. LHCb je dedikovaný ex­periment právě pro měření vlastností vzácných procesů rozpadů mezonů obsahujících kvark b. Na obrázku 9 je výsledek měření poměru R^K společně s výsledky kola­borací BaBar a Belle, které tento poměr měřily ve sráž­kách elektronů s pozitrony na urychlovačích v ame­rickém centru SLAC a japonském centru KEK.

Jejich výsledky jsou konzistentní v rámci chyb s předpově­dí standardního modelu, mají ovšem obrovské chyby v důsledku daleko menšího počtu produkovaných me­zonů B. LHCb zaregistroval několik miliard rozpadů mezonů B⁺, z nichž se cca 4 000 rozpadlo na výše uve­dené vzácné koncové stavy. To je zhruba tisíckrát více než v experimentech BaBar a Belle.

Výsledek měření LHCb se liší od předpovědi stan­dardního modelu o 3,1 standardní odchylky, tedy zhru­ba stejně jako měření anomálního magnetického mo­mentu mionu ve Femilabu. Podle kolaborace LHCb může být narušení univerzality v těchto rozpadech projevem existence leptokvarků, viz obrázek 8 vpravo, jejichž vazba na leptony nemusí být univerzální. Měře­ní vzácných procesů je cesta, jak hledat projevy „nové fyziky“, ale vyžaduje to dedikované experimenty a ob­rovské množství dat.

Zdá se tedy, že výsledky dvou zcela rozdílných ex­perimentů ukazují na stejný možný zdroj odklonu dat od předpovědí standardního modelu. To je velmi za­jímavá okolnost, ale pro odpověď na otázku, zda lep­tokvarky skutečně existují a jsou zdrojem těchto od­chylek, si budeme muset ještě počkat. Ani v jednom z experimentů nedosahuje odchylka od standardní­ho modelu úrovně považované za projev objevu, tedy 5 standardních odchylek. Experiment ve Fermilabu jí může dosáhnout během cca dvou let, ale v přípa­dě LHCb to bude trvat podstatně déle. A samozřejmě může existovat i jiné vysvětlení odklonu dat od před­povědí standardního modelu. Uvidíme.

Děkuji Pavlu Kolářovi za připomínky k textu a pomoc s Feynmanovými diagramy.

Odkazy

[1]  https://www.bbc.com/news/56643677
[2]  B. Abi et al. (Muon g - 2 Collaboration): Measurement of the Positive Muon Anomalous Magnetic Moment to 0.46 ppm. Phys. Rev. Lett. 126, 141801 (2021).
[3]  R. Aaij et al. (LHCb Collaboration): Test of lepton univer­sality in beauty-quark decays. CERN-EP-2021-042, https://arxiv.org/abs/2103.11769v1
[4]  T. Aoyama, N. Asmussen, M. Benayoun et al.: The anoma­lous magnetic moment of the muon in the Standard Model. Phys. Reports 887, 1–166 (2020).
[5]  S. Borsanyi, Z. Fodor, J. N. Guenther et al.: Leading hadro­nic contribution to the muon magnetic moment from latti­ce QCD. Nature 593, 51–55 (2021).

​