Nyt CERN-resultat antyder hidtil ukendt partikel
Elektronen og myonen skal opføre sig ens ifølge fysikernes bedste teori for elementarpartikler. Men det gør de ikke i eksperimenterne, og det kan tyde på, at der er helt ny fysik og en hidtil ukendt partikel på spil.
LHCb detektoren partikler B-mesoner fysik protoner

I detektoren LHCb støder protoner sammen på en måde, så der produceres mange partikler af typen B-mesoner. De er nemlig særlig nyttige, når det gælder om at komme på sporet af ny fysik. (Foto: M. Brice/CERN)

Den velkendte elementarpartikel elektronen har en mindre berømt storebror, der hedder en myon.

Historien kort
  • Forskere fra CERN har fået uventede måleresultater. Særlige henfald sker ikke som forventet.
  • Hvis de nye data holder, er de uhyre svære at forklare med de nuværende fysikteorier. 
  • Yderligere data er på vej. De kan føre til en helt ny, fundamental fysikteori for alting.

De to partikler ligner hinanden til forveksling – kun deres masse skiller dem. Myonen er nemlig 207 gange tungere end elektronen. Der findes også et endnu større familiemedlem, der kaldes tau-partiklen, men i denne historie er det elektronen og myonen, der er hovedpersonerne.

Eksperimenter udført i den enorme partikelaccelerator LHC på det europæisk forskningscenter CERN viser nemlig, at elektronen og myonen tilsyneladende opfører sig forskelligt – også når man tager deres forskellige masser i betragtning.

Ifølge fysikernes bedste teori for elementarpartikler, standardmodellen, skulle elektronen og myonen spille samme rolle, når sammensatte partikler kaldet B0-mesoner henfalder. Ved henfaldet skulle der med lige stor sandsynlighed dukke en elektron (og dens antipartikel) og en myon (og dens antipartikel) op.

Men det er ikke tilfældet i de målinger, holdet bag detektoren LHCb indtil videre har fået analyseret.

Ny fysik eller en tilfældighed?

Af en pressemeddelse fra CERN og en opsummering fra fysikerne bag LHCb fremgår det, at henfald til elektroner sker oftere end henfald til myoner. For hver 10 elektroner, der dukker op, måler fysikerne kun 7 myoner.

Graf over B-meson-henfald lhc myoner elektroner

Denne graf fik fysikerne til at spærre øjnene op. Forholdet mellem myoner og elektroner i henfaldet af B-mesoner skulle være 1:1, som vist med  de farvede markeringer, men målingerne - de sorte prikker - viser noget andet. Der kommer kun 7 myoner for hver 10 elektroner. (Illustration: CERN/LHCb)

Det kan forklares på to forskellige måder: 
  1. Enten er der en ny og hidtil uopdaget partikel på spil – en partikel, der så at sige blander sig i henfaldet og påvirker udfaldet. Altså helt ny fysik, der kræver en teori ud over standardmodellen.
  2. Eller også er det blot en statistisk tilfældighed, som får det til at se ud som om, at elektronen og myonen opfører sig forskelligt.

Fysikerne indrømmer gerne, at de ikke er sikre på, at nye data viser vejen mod ny fysik. Endnu er det nemlig sparsomt med data, og det betyder, at der er mere end en procents sandsynlighed for, at afvigelsen fra standardmodellen i dette eksperiment blot er en tilfældighed. I så fald forsvinder anomalien igen, når der kommer flere data.

B-mesoner opfører sig sært

Hvad der alligevel gør nyheden værd at skrive om, er de tidligere resultater i samme boldgade. Det er nemlig ikke første gang, B-mesonerne opfører sig uventet.

»I de seneste år har eksperimenter med B-mesoner konsekvent vist afvigelser fra standardmodellen. De enkelte målinger hver for sig er ikke overbevisende, men hvis man kigger på resultaterne af det nye eksperiment sammen med resultatet af tidligere eksperimenter, får man en afvigelse på cirka fire sigma. Og det er endda konservativt sat,« siger professor Francesco Sannino, der i øjeblikket arbejder på CERN, samtidig med at han passer sit arbejde som leder af forskningscenteret CP3-Origins ved Syddansk Universitet.

Fire sigma betyder, at der kun er 0,006 procents sandsynlighed for, at afvigelsen fra standardmodellen blot er en statistisk tilfældighed. Det er stadig ikke nok til, at fysikerne tør postulere en ny partikel, for så skal de op på over 5 sigma, lig med en sandsynlighed på 99,9999998 procent for, at den er god nok. 100 procents sikkerhed når man aldrig.

Der skal flere data til, og de kommer da også i takt med, at eksperimentet i LHC fortsætter. Fysikerne glæder sig også til at få data fra det japanske eksperiment Belle II, som også skal måle på B-mesoner.

Seks artikler samme dag

Francesco Sannino er en af forfatterne til en videnskabelig artikel, som foreløbigt blot ligger på preprint-serveren ArXiv, men som senere publiceres i et fysik-tidsskrift. I artiklen sammenfatter forskerne resultaterne af B-meson-eksperimenterne, og de har særligt kigget nøje på, om data fra de forskellige eksperimenter overhovedet peger i samme retning. Det gør de.

Hvad gemmer sig?

Fysikerne har ideer til, hvad den nye partikel kan være, hvad den altså findes. Topkandidaterne er en Z', der minder en del om den Z-partikel, som fysikerne kender i forvejen, og en leptokvark, som er en slags mellemting mellem kvarker og leptoner som elektroner og myoner. Men det kan også være noget helt tredje, og i forhold til udviklingen af en ny fysikteori er det lige så vigtigt, hvad den nye partikel i hvert fald ikke kan være.

Selvsamme dag, som de nye data kom frem, offentliggjorde de førende forskergrupper på området hele seks videnskabelige artikler om emnet – herunder ovennævnte. Man kan rolig sige, at det er noget, der har vakt interesse blandt fysikerne.

En af grupperne har regnet sig frem til, at den 'magiske' sigma 5-grænse faktisk er nået, når alle resultaterne lægges sammen. Ifølge dem er det altså så godt som sikkert, at eksperimenterne tilsammen viser, at standardmodellen ikke rækker til at beskrive virkeligheden. Der skal ny fysik til, fremgår det af en pressemeddelelse fra Barcelona Institute of Science and Technology.

Christian Bierlich, der er teoretisk partikelfysiker på Lund Universitet i Sverige, maner dog til besindighed:

»Jeg synes, resultatet er blevet hypet til et niveau, det ikke kan bære. I pressemeddelelsen fra CERN skriver de jo næsten, at de har fundet ny fysik. Det er at stramme den«

Brug for flere data

»Artiklen fra Sannino og kollegerne er en rigtig god opsummering af de anomalier, der er for B-henfald. De påviser så en samlet effekt, der er enormt stor. Men hvis jeg skal være en smule kritisk, så kan det godt være problematisk at kombinere resultaternes usikkerheder på den måde. Særligt de såkaldte systematiske usikkerheder, der ikke forsvinder med mere data. Der er nogle alarmklokker, der ringer hos mig,« fortsætter Christian Bierlich.

To muligheder for ny fysik lhc B-mesoner

Fysikerne ved endnu ikke, hvad der præcis sker ved henfaldet af B-mesonerne. Men de tør godt gætte på egenskaberne af den nye partikel, der måske blander sig. Måske er det en Z'-partikel (øverst), måske en leptokvark (trekanten nederst). (Illustration: CERN/LHCb)

»Jeg ville gerne se et enkeltstående resultat, der siger 'her er der ny fysik'. Jeg håber da meget på, at den er god nok, men jeg er jo nok til den konservative side. Jeg håber på et 'smoking gun'-signal. Og der kommer jo heldigvis flere resultater. De bliver spændende at se.«

Francesco Sannino er ikke enig med Christian Bierlich i, at CERN smører for tykt på i pressemeddelelsen – nærmere tværtimod. Han er dog helt enig i, at der er brug for flere data.

»Det kan godt være, dette viser sig blot at være en statistisk tilfældighed, men jeg er ret begejstret for det nye resultat. Vi har vist, at man kan stole på resultaterne af eksperimenterne, men nu må vi vente og se, om anomalien forsvinder igen med flere data, eller om den går over fem sigma, så vi kan proklamere en ny partikel.«

Lyt på Videnskab.dk!

Hver uge laver vi digital radio, der udkommer i form af en podcast, hvor vi går i dybden med aktuelle emner fra forskningens verden. Du kan lytte til den nyeste podcast i afspilleren herunder eller via en podcast-app på din smartphone.

Har du en iPhone eller iPad, kan du finde vores podcasts i iTunes og afspille dem i Apples podcast app. Bruger du Android, kan du med fordel bruge SoundClouds app.
Du kan se alle vores podcast-artikler her eller se hele playlisten på SoundCloud

Det sker