Objevům v experimentální částicové fyzice často předchází řada nezdarů. V roce 1976 oslavoval tým fyzika Leona Ledermana pracující na urychlovači v americkém Fermilabu objev mezonu Ypsilon. Radost však záhy vystřídalo zklamání, když se ukázalo, že to, co vědci považovali za novou částici, byl ve skutečnosti falešný záblesk v detektoru. Ups-Leon, jak se signálu 6 GeV začalo přezdívat, otevřel cestu k reálnému objevu mezonu Ypsilon, který si Ledererův tým připsal o rok později, a nakonec i k teorii Standardního modelu o šesti kvarcích.
Standardní model elementárních částic se na konci 60. let minulého století pomalu ale jistě rozrůstal. Objeveny už byly tři typy leptonů – elektrony, miony a neutrina. Model obsahoval také tři kvarky (up, down a strange), jejichž existence však ještě nebyla experimentálně potvrzena. Kvarky byly tou dobou jen matematickými entitami, které vysvětlovaly neelementárnost protonů a neutronů. Zbývající kvarky (charm, top a bottom) byly na základě teoretických modelů navrženy až v průběhu 70. let.
V roce 1967 začal tým Leona Ledermana v americké Národní laboratoři Brookhaven pracovat na novém experimentu, jehož cílem bylo objevit nové částice. V urychlovači vědci sráželi protony s neutrony obohaceného uranu při energiích 30 GeV. K odstínění experimentu byla použita tři metry tlustá ocel pocházející z lodí z 2. světové války, skrze kterou mohly ve srážkách projít pouze produkované páry mionů. V jejich rozpadech pak fyzici hledali stopy nově vzniklých částic. Lederer očekával, že jako výsledek svého měření obdrží hladce klesající distribuci produkovaných párů mionů v závislosti na energii, a domníval se, že jakákoliv anomálie, kterou v této distribuci uvidí, může znamenat objev nové částice.
Promarněná příležitost: mezon J/ψ
Když se ve výsledcích objevil slabý záblesk signálu na 3 GeV, fyzici došli k závěru, že nejde o relevantní signál. I když jejich detektory signál naměřily, byl natolik slabý, že by ho šlo jen stěží publikovat jako nově objevenou částici. O sedm let později byl však mezon o hmotnosti 3 GeV, tvořený kvarky charm a anticharm, skutečně objeven, a to hned dvěma vědeckými skupinami, které jej pojmenovaly J/ψ. Tým Leona Ledermana věděl, že jim jen o kousek unikl objev hodný Nobelovy ceny. Stačilo, aby se ve svých měřeních zaměřili na oblast 3 GeV.
Leon Lederman byl odhodlaný, že si už žádnou další příležitost nenechá ujít. Rozhodl se proto opakovat brookhavenský experiment v nově postaveném Fermilabu, tentokrát ale při mnohem vyšších energiích srážek 400 GeV. V experimentu E288 byly zaznamenávány výsledky částicových kolizí s jedním jediným cílem – najít nové částice, výsledky zveřejnit a získat slávu. Cíl Ledermanova týmu nebyl v jistém smyslu fyzikální. Nechtěli najít nejtěžší kvark nebo experimentálně potvrdit existenci konkrétního mezonu, šlo jim o objev jakékoliv nové částice.
Fata morgána v datech
V srpnu 1975 se v naměřených datech začal objevovat výrazný signál na 6 GeV. Vědci našli celkem 12 událostí, ve kterých signál naměřili, a po započtení naměřeného pozadí došli k závěru, že existuje pouze 2% šance, že bylo šlo o statistickou fluktuaci, a nikoli o skutečný signál v detektoru. Ledermanův tým tak začal oslavovat objev nové částice a hledat pro ni vhodný název. Vědci pracující na experimentu E288 dnes vzpomínají, jak prohlíželi dostupná řecká písmena a vybírali to nejvhodnější. Volba padla na písmeno Ypsilon, které nakonec posloužilo i jako vhodná přesmyčka.
Skupina experimentu E288 po oznámení objevu nové částice v roce 1976 pokračovala v proměřovaní regionu okolo 6 GeV. Jejich nová data však rychle začala zpochybňovat předchozí výsledky. Když experiment opakovali s miony, nepodařilo se jim na 6 GeV zachytit žádný signál. Další opakované neúspěšné pokusy o změření nové částice nakonec v následujícím roce existenci mezonu Ypsilon vyloučily. Částice se tak ukázala být fatou morgánou v naměřených datech a signálu na 6 GeV se začalo přezdívat Ups-Leon, podle jména Leona Ledermana, který po objevu tolik toužil.
A kde se stala chyba? Již o deset let dříve upozornil fyzik Arthur Rosenfeld na nutnost opakovat experimenty vícekrát, aby došlo k odstranění tzv. faktoru v pokusech, tedy aby se zabránilo tomu vydávat jeden výsledek za významný objev, zatímco se může jednat o statistickou chybu. Dnes již běžná přísná statistická norma, zvaná pravidlo pěti sigma, se začala v částicové fyzice používat až po objevu top kvarku v roce 1995. Dle tohoto pravidla musí být pravděpodobnost toho, že je objev částice pouhou statistickou fluktuací, menší než 1 ku 3,5 milionu.
Ačkoli vědci z experimentu E288 efekt faktoru v pokusech zahrnuli a měření ve stejném experimentálním uspořádání několikrát opakovali, norma pěti sigma mohla zabránit vyhlášení falešného objevu. Ledermanův tým se po svém neúspěchu nevzdával a pokračoval ve sběru dat. V listopadu 1976 vědci zaznamenali signál kolem 9,5 GeV, který byl navíc statisticky významnější než signál Ups-Leonu.
Leon Lederman a jeho tým zveřejnil objev mezonu Ypsilon v dubnu roku 1977 v časopise Physical Review Letters. Ypsilon byl ve své době třikrát těžší než jakákoliv dříve objevená částice, a jeho hmotnost tak naznačovala existenci pátého, zatím jen teoreticky předpovězeného kvarku bottom. Mezon Ypsilon přesvědčil fyzikální komunitu o existenci těžkých kvarků a otevřel cestu teorii Standardního modelu o šesti kvarcích – up, dowm, charm, strange, top a bottom. Ačkoli Leon Lederman si díky mezonu Ypsilon splnil svůj sen, ani později nepolevil ve své práci. Částicová fyzika si ho tak dnes pamatuje především jako brilantního vědce, ředitele Fermilabu a v neposlední řadě jako nositele Nobelovy ceny z roku 1988, kterou získal za objev mionového neutrina.
Mohlo by vás také zajímat:
Fyzikální Top
10 za rok 2025
Co svítí pod
Špilberkem
Odešel
otec evropských urychlovačů Herwig Schopper