Mulig CERN-opdagelse kan føre til teori om alting
Ekstra dimensioner, en helt ny naturkraft eller supersymmetriske elementarpartikler? Hvis overraskende målinger fra partikelacceleratoren LHC viser sig at være en ny partikel, vil det ændre vores opfattelse af universet og dets bestanddele.

Sådan kan det se ud, når der dukker to uventede fotoner (de grønne streger) op i CMS, der er en af de fire detektorer i partikelacceleratoren LHC. (Illustration: CERN)

 

Et lille bump på en kurve har sendt alverdens partikelfysikere på overarbejde.

Bumpet på kurven, der viser målinger fra partikelacceleratoren LHC ved forskningscenteret CERN i Schweiz, kan nemlig indvarsle en helt ny fundamental forståelse af naturen.

Bumpet kan skyldes en ny partikel, der kræver en ny, grundlæggende teori for universet. En teori om alting.

Da den berømte Higgs-partikel blev fundet, var fysikerne glade. Higgs-partiklen var nemlig den manglende brik i det store puslespil, som fysikerne kalder standardmodellen for elementarpartikler. Men en ny, uventet partikel er bedre endnu, fortæller Mads Toudal Frandsen, der er lektor på Syddansk Universitets center for partikelfysik, CP3-Origins:

»Higgs-partiklen var jo forventet. Det her er potentielt meget større. Det åbner en helt ny verden. Der virkelig en port ind til noget stort – noget grundlæggende nyt.«

For mange fotoner peger på ny fysik

Faktisk er det ikke ét, men to små bump, som i den grad har skabt røre blandt fysikerne. To detektorer i den 27 km lange accelerator måler nemlig det samme: Et overskud af fotoner i forhold til, hvad der var forventet.

Når protoner med hastigheder tæt på lysets kolliderer i detektorerne, skabes der et væld af nye partikler.

Typisk er resultatet af kollisionerne præcis, som fysikerne regnede med, men ind imellem dukker der to ekstra fotoner op, som tilsammen har en energi på 750 GeV (gigaelektronvolt). Det sker noget oftere, end de gængse fysikteorier tilsiger.

16. december 2015 fremlagde eksperimentalfysikerne, der arbejder med LHC, deres første resultater fra den opgraderede partikelaccelerator, og dengang blev der lagt mærke til de små bump.

Nu har fysikerne været igennem alle data endnu engang, og på en konference har de fremlagt deres nyeste analyser. Bumpene er der stadig.

LÆS OGSÅ: 'Fysikere i ekstase: CERN har måske fundet en ny partikel'

»Det ser besnærende ud. Man kan se bumpet med det blotte øje, og det fortæller, at der er en vis signifikans. Og de nye analyser går alle sammen i den rigtige retning,« siger Mads Toudal Frandsen.

Kan være en tilfældighed

Der skal helt nye og banebrydende teorier til, hvis overskuddet af fotoner skal forklares. Teorier, der involverer en ny, fundamental naturkraft, en ny samling elementarpartikler og måske endda ekstra dimensioner. Fotonerne kan nemlig stamme fra en helt ny slags partikel, hvis lige aldrig er set før.

Eller også er de ekstra fotoner blot en statistisk tilfældighed, som slet ingen betydning har. En uregelmæssighed, som forsvinder som dug for Solen, når der kommer flere data.

Det er absolut også en mulighed på nuværende tidspunkt. Signalet er endnu ikke statistisk signifikant, som fysikerne siger.

Om det er en ny partikel, som vil betyde et kæmpe gennembrud for fysikken, eller om det bare er målinger, der driller lidt, vil vise sig i løbet af de kommende måneder.

Det er kurver som denne, der har fået partikelfysikerne til at spærre øjnene op. De sorte målepunkter, hvor de lodrette streger angiver usikkerheden, burde alle ligge på den røde streg nederst. Men det gør de ikke omkring en energi på 750 GeV, og det tyder på en ny slags partikel. (Illustration: CERN)

LHC er netop startet op efter at have ligget i dvale vinteren over, og når den for alvor er kommet i omdrejninger igen, vil det gå stærkt med at få nye data, der enten be- eller afkræfter eksistensen af den nye partikel.

Hundredvis af artikler om partiklen

I mellemtiden har fysikerne travlt med at komme med bud på, hvad den uventede gæst kan være for en størrelse.

Spørgsmålet er, hvordan en ny fysikteori skal skrues sammen, hvis den nye partikel – hvis den altså eksisterer – skal passe ind i billedet. Hvad den betyder for vores forståelse af universet.

Det er der mange forskellige bud på. Rigtig mange. Faktisk er der i skrivende stund publiceret i omegnen af 300 videnskabelige artikler om fotonoverskuddet ved 750 GeV. De bliver lagt ud på preprint-serveren ArXiv, efterhånden som de bliver skrevet.

Fem af dem har forskere fra forskningscenteret CP3-Origins i Odense iblandt forfatterne, og Mads Toudal Frandsen har netop lagt sidste hånd på sin anden artikel om emnet. Han har travlt, men ikke mere, end han gerne bruger tid på at forklare, hvad fundet af en ny partikel kan betyde:

»Hvis denne partikel rent faktisk findes, er den ikke alene. Den bliver produceret og henfalder til disse to fotoner så hyppigt, at der må være flere nye partikler, der så at sige hjælper den med at henfalde. Det kan man sige med sikkerhed. Så der må være noget mere.«

En tungere Higgs eller en supergraviton?

Hvad dette mere så er, er der delte meninger om. Groft sagt kan man dele de fleste af teorierne op i tre kategorier:

  • Der er tale om en ny elementarpartikel, der minder en hel del om Higgs-partiklen – en slags fed fætter til Higgs-partiklen, der har en energi på 125 GeV.
  • Det er en ny elementarpartikel, der er en tung udgave af gravitonen – den hypotetiske elementarpartikel, der formidler tyngdekraften.
  • Partiklen er en sammensat partikel og består af to nye elementarpartikler, der er bundet sammen af en ny naturkraft.

Snesevis af nye elementarpartikler

Hvis den nye partikel ligner en Higgs-partikel, må der være endnu flere Higgs-lignende partikler og mere til.

Faktisk forudsiger mange af teorierne, at der er snesevis af nye partikler, der blot venter på at blive opdaget – ikke kun Higgs-lignende, men alle mulige slags.

Ifølge teorierne om supersymmetri hører en ny, hidtil uopdaget 'superpartner' til hver af de kendte partikler. For eksempel må elektronen have en partner, der kaldes selektron, og til fotonen hører en fotino. Disse superpartnere må være tungere end de kendte partikler, for ellers ville vi have opdaget dem allerede.

Mange fysikere holder af teorien om supersymmetri, fordi den løser nogle af fysikkens problemer – specielt bliver det lettere at forene det 20. århundredes to store teorier, relativitetsteorien og kvantemekanikken. Hører den nye partikel til Higgs-familien, giver den støtte til supersymmetri.

Skjulte dimensioner i universet

Fysikerne mener, at tyngdekraften er båret af en masseløs elementarpartikel, kaldet en graviton, på omtrent samme måde som den elektromagnetiske kraft overføres af fotoner.

En partikel, der henfalder til to fotoner på den måde, som LHC-målingerne viser, kan være en tung version af gravitonen, men det er kun muligt, hvis der findes ekstra dimensioner.

De ekstra dimensioner kan være krøllet sammen og så små, at vi ikke har adgang til dem, men en tung graviton kan også pege på et univers, hvor den firedimensionale del, som vi kender og kan udforske, flyder rundt i en stor, femte dimension. Kun gravitoner kan forlade vores såkaldte 'brane' i sådan et univers, og derfor lægger vi ikke mærke til den femte dimension.

Flere dimensioner ville kunne forklare, hvorfor tyngdekraften er så svag – et af fysikkens store spørgsmål.

Og en tung gravition ville give rygstød til strengteorier, som forsøger at forklare samtlige elementarpartikler som små, endimensionale strenge, der vibrerer på forskellige måder. Strengteori kræver nemlig flere dimensioner for at give mening.

Ny naturkraft kan være på spil

Bumpet på kurven kan både ses i målinger fra detektoren ATLAS og fra detektoren CMS. Det sandsynliggør, at det rent faktisk er en partikel og ikke bare støj. (Illustration: CERN)

Endelig kan den partikel, som måske – måske ikke – er dukket op i LHC, være en sammensat partikel, hvor hidtil ukendte partikler er bundet sammen af en ny naturkraft. Det er den idé, fysikerne på CP3-Origins hælder imod.

For eksempel kan to såkaldte technikvarker, holdt sammen af en naturkraft kaldet technicolor, give en partikel som den, der er spor efter.

LÆS OGSÅ: 'Stoffets hemmelighed skal afsløres i Odense'

Den artikel, som Mads Toudal Frandsen sidder og arbejder på i øjeblikket, handler om partiklen som sammensat og dens eventuelle sammenhæng med mørkt stof – det usynlige stof, som universet er fuldt af, men som fysikerne ikke ved, hvad består af.

»Nu har vi en ny partikel, og vi ved, at der findes mørkt stof. Så er det naturligt at spørge, om der er en sammenhæng – om den nye partikel kan være bindeleddet mellem det mørke stof og det almindelige stof,« siger han.

Udover fotoner kan partiklen måske også henfalde til to mørkt stof-partikler. Og selv om den ikke kan gøre det, fordi det mørke stof er for tungt, kan partiklen give et hint om det mørke stofs egenskaber og gøre det lettere at finde det i andre eksperimenter.

Mere detaljerede LHC-målinger kan røbe, hvilket mørkt stof-eksperimenter, der er mest oplagte at satse på.

LÆS OGSÅ: 'Xenon1T: Enorm detektor er klar til at fange mørkt stof'

Afklaring i løbet af måneder

Men allerførst skal fysikerne altså lige sikre sig, at de små bump rent faktisk er beviser for en ny partikel. Det vil LHC-data vise i løbet af de kommende måneder.

»Det kræver flere data, hvis man skal påstå, at der er opdaget en ny partikel. Men senest til august vil vi vide, om der er tale om en ny partikel eller ej. Sandsynligvis før,« lyder det fra Mads Toudal Frandsen.

Til august mødes partikelfysikere fra hele verden til en konference i Chicago, og her vil de fremlægge deres seneste resultater. Men hvis LHC-fysikerne får data nok til at kunne proklamere opdagelsen af en ny partikel før da, vil de sikkert gøre det.

»Det er en ekstrem spændende tid. Hvis den er god nok, skal vi nok få gravet den rigtige teori frem,« fortsætter Mads Toudal Frandsen.

»Det kan komme til at tage mange år, fordi mange teorier kan give forudsigelser, der ikke er så forskellige. Derfor er der brug for præcisionsmålinger, før man kan være helt sikker på, hvilken der er rigtig.«

Status lige nu: En uhyre vigtig opdagelse, der kan ændre hele vores opfattelse af universet og føre til en sammenhængende teori om alting, kan være lige om hjørnet.

Eller også forsvinder de små bump, når der kommer flere data, og fysikerne må lede videre.