Priča je stara, poznata i već pomalo izlizana. Standardni model u fizici elementarnih čestica nije konačna teorija. Ne uključuje gravitaciju, ne može objasniti zašto neutrini imaju masu. Zašto se nismo pomakli dalje već par desetljeća? Zato što nema eksperimenta koji pokazuje neko odstupanje od rezultata koje daje taj model. Isti taj problem imamo i s Einsteinovom teorijom gravitacije, nema mjerenja koje pokazuje odstupanje od teorije stare više od sto godina, a jednako tako znamo da nije konačna teorija.

Fizika izvan standardnog modela?

Ovaj tjedan odjeknula je vijest da vjerojatno imamo dokaz nove fizike izvan standardnog modela u Fermilabovom mionskom g-2 eksperimentu. Dakle, nemamo dokaz, nego slutimo kako bi ga uskoro mogli imati.

Mion je otkriven 1936. godine. Nobelovac I.I. Rabi komentirao je njegovo otkriće riječima: „Tko je ovo naručio?!“. U to vrijeme fizika je bila relativno jednostavna, materija je bila građena od protona, neutrona i elektrona, tako da uloga miona nije bila jasna. Par godina kasnije mioni su iskorišteni za eksperimentalni dokaz dilatacije vremena i tu njegova važnost nije stala. Danas bi rekli da je mion čestica druge generacije, masa mu je otprilike 207 puta veća od mase elektrona i po većini svojstava sličan je elektronu.  

g-2 odnosi se na mjerenje magnetskog dipolnog momenta miona. Kada ne bismo ulazili u prevelike detalje, mogli bismo reći da, ako zamislimo električki nabijenu loptu koju se vrti, mion bi se ponašao kao standardni magnet s dva pola. No, standardna šala o spinu elektrona ide ovako: „Zamislite da je elektron lopta koja se vrti, samo nije lopta i ne vrti se“, a isto možemo reći i za mion. P.A.M. Dirac za elektrone, mione, zapravo za sve fermione (čestice koje imaju spin 1/2) dobiva da je magnetski moment proporcionalan električnom naboju, spinu, a obrnuto proporcionalan masi. Faktor proporcionalnosti koji daje Diracova jednadžba iznosi 2.

Priča nije stala tu, razvojem kvantne teorije polja dodatno se zakomplicirala. Kvantna teorija polja pokazala je kako vakuum nije prazan, već ima izrazito kompleksnu strukturu i vrvi virtualnim česticama. Iz tog razloga utjecaj vakuuma na magnetski dipolni moment (oznaka g) nije zanemariv. Izraz g-2 mjeri odstupanje do kojeg dolazi zbog međudjelovanja miona s virtualnim česticama u vakuumu.

U vakuumu postoji sve što postoji i pored onog što smo do sada uključili u svoje teorije. Dakle, ako mjerenje statistički značajno odstupa od teorijskog rezultata, imate dokaz nove fizike. Mion je idealni kandidat jer je čestica koju lako produciramo u eksperimentima te kako vjerojatnost međudjelovanja ovisi s kvadratom mase, vidimo da će efekt međudjelovanja s vakuumom kod miona biti otprilike 40.000 puta veći od elektrona. 

 g-2 eksperiment i usporedba s teorijom zahtjevniji su od otkrića novih čestica. Kod otkrića čestica obično brojite događaje na nekoj energiji i uspoređujte s brojem događaja u slučaju kad nema doprinosa od nove čestice. Otkriće novih čestica također zahtjeva teorijski zahtjevne proračune, no u znatno manjoj mjeri. U g-2 eksperimentu kompleksna struktura vakuuma čini izračun doprinosa iz Standardnog modela kompliciranim na više nivoa. Standardni model ima velik broj parametara koje dobivamo iz mjerenja, a svako mjerenje ima svoju pogrešku i ona se mora uvesti u račun. Dodatno, doprinos kvantne kromodinamike (jake sile) moramo računati u nepovoljnom režimu niskih energija. 

Za sada u tom režimu znamo raditi s teorijom egzaktno samo ako kontinuirano prostor-vrijeme pretvorimo u diskretnu rešetku (eng. lattice QCD). Za proračune nam trebaju doslovno milijuni sati na superračunalima. Ukoliko idemo malo jednostavnijim pristupom i račun provedemo tzv. efektivnim modelom za prvu procjenu doprinosa od jake sile, dobit ćemo funkciju od cca. 4 milijuna linija koda koju moramo numerički integrirati. Iz ovog primjera vidimo kako fizičari jako ovise o programima koji će simbolički računati sve doprinose iz Standardnog modela i automatski generirati kod. Zadnjih desetak godina grupa koja računa doprinos od jake sile navedenim pristupima govori da, ako se račun provede ispravno, dokaz za novu fiziku postaje sve slabiji i slabiji.

Standardni model i dalje aktualan

Kao naručeno isti dan kad Fermilab objavljuje svoje rezultate mjerenja i navodi da su blizu značajnosti koja bi se smatrala potvrdom nove fizike, Budapest-Marseille-Wuppertal grupa koja radi račun doprinosa od jake sile na najprecizniji mogući način objavljuje radu u časopisu Nature.

Njihov rezultat pokazuje da je sve i skladu s eksperimentom tj. Standardni model se slaže s mjerenjem. Kao i svaki put do sada to portale nije spriječilo da objave bombastične naslove o novoj fizici, petoj sili i sličnim click-bait naslovima. Kako smo počeli možemo i završiti, priča je stara, poznata i već pomalo izlizana - i dalje nemamo dokaz nove fizike van Standardnog modela.

Doc.dr.sc. Davor Horvatić je docent na Fizičkom odsjeku Prirodoslovno-matematičkog fakulteta Sveučilišta u Zagrebu. Istraživanje obavlja u području fizike elementarnih čestica gdje se bavi hadronima te u području kompleksnih sistema i mreža, s naglaskom na stohastičke procese i analizu vremenskih serija s primjenom u ekonomiji, sociologiji i medicini. Objavio je 38 znanstvenih radova  koji su citirani više od tisuću puta. Aktivno se bavi popularizacijom znanosti. Održao je više od dvije stotine popularnih predavanja te snimio desetak radijskih i televizijskih emisija. Suautor je osnovnoškolskih udžbenika fizike za sedmi i osmi razred.