CERN præsenterer nye tegn på universets femte naturkraft
Nye data har vakt enorm begejstring blandt partikelfysikere verden over. Er det, de ser, effekten af en endnu uopdaget naturkraft?
CERN LHCb partikelfysik fysik natur kraft henfalder bottom-kvark

Har nye resultater åbnet et nyt vindue til de mest fundamentale ingredienser i vores univers? (Foto: Zolt Levay/Flickr, CC BY-SA)

Har nye resultater åbnet et nyt vindue til de mest fundamentale ingredienser i vores univers? (Foto: Zolt Levay/Flickr, CC BY-SA)

Partner The Conversation

Videnskab.dk oversætter artikler fra The Conversation, hvor forskere fra hele verden selv skriver nyheder og bringer holdninger til torvs

Verdens største og kraftigste accelerator, Large Hadron Collider ved CERN, fyrede i dén grad op under begejstringen verden over i marts. Her kunne partikelfysikere rapportere om spændende fund - potentielt tegn på en helt ny naturkraft.

Nu ser det ud til, at vores nye resultat fra CERN's gigantiske partikelaccelerator, som endnu ikke er blevet peer reviewed, også støtter op under teorien.

Vores hidtil bedste teori om partikler og kraft er kendt som standardmodellen, som beskriver alt hvad vi ved om de fysiske ting, der udgør verden omkring os, med usvigelig nøjagtighed.

Standardmodellen er uden tvivl den mest succesfulde videnskabelige teori, der nogensinde er skrevet - men alligevel ved vi, at den må være ufuldstændig.

Standardmodellen beskriver kun tre af de fire fundamentale kræfter – den elektromagnetiske kraft samt stærke og svage kræfter, undtagen tyngdekraften.

Ingen forklaring på mørkt stof

Men standardmodellen kan altså ikke alt. Mørkt stof er ifølge astronomien dominerende i universet, men standardmodellen har ingen forklaring på dette mystiske fænomen. Den kan heller ikke forklare, hvordan stof klarede skærene i løbet af Big Bang

De fleste fysikere er derfor overbeviste om, at der må være flere kosmiske ingredienser, der endnu ikke er opdaget, og en række fundamentale partikler kendt som bottom-kvarker er en særlig lovende måde at få et lille vink om, hvad der ellers kan være derude.

Bottom-kvarker (tidligere kaldet 'beauty-kvarker') er elementarpartikler, der i teorien ikke kan deles i mindre bestanddele.

Kvarkerne optræder parvist, og protoner og neutroner består af kvarker med forskellig ladning - de såkaldte up-kvarker og down-kvarker.

Op og ned hænger sammen med ladningen. Up-kvarken har en positiv ladning, og down-kvarken har en negativ ladning. Protoner er positive, fordi de har to up-kvarker og en down-kvark. 

CERN LHCb partikelfysik fysik natur kraft henfalder bottom-kvark

Den store partikelaccelerator LHCb ved CERN. (Foto: Cern)

Bottom-kvarken har en negativ ladning, akkurat som down-kvarken, men den er tungere. Derfor fik den forstavelsen bottom-, som jo er længere nede end bare nede. Top-kvarken er bottom-kvarkens modpol.

Vi kender til i alt seks forskellige slags kvarker: Up og Down, strange-kvark og charm-kvark, og til sidst beauty/bottom og truth/top. 

Botton-kvarker er ustabile og lever i gennemsnit kun omkring 1,5 billiontedele af et sekund, før de henfalder til andre partikler. 

Den måde, bottom-kvarker henfalder, kan være stærkt påvirket af eksistensen af andre elementarpartikler eller kræfter. 

Når en bottom-kvark henfalder, forvandles den til et sæt lettere partikler, som elektroner, gennem påvirkning af den svage kraft. 

Ny naturkraft?

En af måderne, en ny naturkraft gør sig kendt for os, er ved subtilt at ændre, hvor ofte bottom-kvarkerne henfalder til forskellige typer partikler.

Studiet fra marts er baseret på data fra LHCb-eksperimentet, én af fire gigantiske partikeldetektorer, der registrerer resultatet af kollisionerne med ultra høj energi produceret af LHC (B'et i LHCb står for 'beauty').

Studiet fandt, at bottomkvarker henfaldt til elektroner og deres tungere slægtninge (kaldet myoner) med forskellige hastigheder. Det var virkelig overraskende, fordi en myon ifølge standardmodellen dybest set er en tro kopi af en elektron - identisk på alle måder, lige bortset fra at den er omkring 200 gange tungere.

Det betyder, at alle kræfter bør trække i elektroner og myoner med samme styrke – når en bottomkvark henfalder til elektroner eller myoner via den svage kraft, bør den gøre det lige ofte.

Fakta
Om Forskerzonen

Denne artikel er en del af Videnskab.dk’s Forskerzonen, hvor forskerne selv formidler deres forskning, viden og holdninger til et bredt publikum – med hjælp fra redaktionen.

Forskerzonen bliver udgivet takket være støtte fra vores partnere: Lundbeckfonden, Aalborg Universitet, Roskilde Universitet og Syddansk Universitet.

Forskerzonens redaktion prioriterer indholdet og styrer de redaktionelle processer, uafhængigt af partnerne. Læs mere om Forskerzonens mål, visioner og retningslinjer her.

Enorm begejstring blandt partikelfysikerne

Men i stedet fandt mine kolleger, at myonhenfaldet kun fandt sted omkring 85 procent så ofte som elektronhenfaldet. 

Hvis vi antager, at resultatet er korrekt, er der kun en måde at forklare en sådan effekt - og det er, at en ny naturkraft, der trækker på elektroner og myoner forskelligt, forstyrrer, hvordan bottomkvarkerne henfalder.

Resultatet vakte enorm begejstring blandt partikelfysikerne. 

Vi har i flere årtier ledt efter tegn på noget ud over standardmodellen, og på trods af ti års arbejde på LHC er der indtil videre ikke fundet noget afgørende. 

Opdagelsen af en ny naturkraft er kæmpestort og kan potentielt endelig åbne døren til at besvare nogle af de dybeste mysterier, moderne forskning står over for.

Flere eksperimenter kan bekræfte resultaterne

Selvom det er et spændende resultat, er det ikke endegyldigt. 

Alle målinger kommer med en vis grad af usikkerhed eller 'afvigelse'.

Lige i dette tilfælde var der kun omkring én tusindedel risiko for, at resultatet skyldes en tilfældig statistisk usikkerhed - 'Three-Sigma' eller '68-95-99,7-reglen', som vi kalder det i partikelfysiskken.

1 ud af 1.000 lyder måske ikke af meget, men vi laver et meget stort antal målinger i partikelfysikken, og vi kan derfor forvente, at en lille håndfuld ved en tilfældighed resulterer i afvigere.

For at være virkelig sikre på, at effekten er reel, skal vi nå 'Five Sigma' - svarende til mindre end én ud af en million chance for, at effekten skyldes et statistisk lykketræf.

For at nå derhen skal vi reducere usikkerhedens størrelse, og for at gøre det har vi brug for flere data.

En måde er simpelthen at køre eksperimentet i længere tid og registrere flere henfald. 

Nyttig information fra eksisterende data

LHCb-eksperimentet er ved at blive opgraderet til at kunne registrere kollisioner med langt højere hastighed i fremtiden, hvilket vil give os mulighed for at foretage meget mere præcise målinger.

Men vi kan også få nyttig information ud af de data, vi allerede har registreret, ved at lede efter lignende typer henfald, der er sværere at få øje på. Det er netop, hvad mine kolleger og jeg har gjort. 

Strengt taget studerer vi faktisk aldrig bottomskvarkernes henfald direkte, da alle kvarker altid er bundet sammen med andre kvarker for at lave større partikler. 

Studiet fra marts så på bottomkvarker, der dannede par med up-kvarker.

Vores resultat studerede to henfald: 

  • Et, hvor bottomkvarkerne dannede par med down-kvarker
  • Et, hvor de også dannede par med up-kvarker

At parrene var forskellige burde ikke gøre en forskel - det henfald, der foregår inderst inde, er det samme, så vi kan forvente at se den samme effekt, hvis der virkelig er en ny kraft derude.

Nyt vindue til de mest fundamentale ingredienser i vores univers

Og det er præcis, hvad vi fandt. 

Denne gang skete myonhenfaldet kun omkring 70 procent så ofte som elektronhenfaldet, men med en større usikkerhed, hvilket betyder, at resultatet er omkring 'to sigma' fra standardmodellen (omkring 2 ud af 100 chance for at være en statistisk anomali, eller undtagelse fra normen).

Det betyder, at selvom resultatet ikke er præcist nok i sig selv til at hævde, at vi har fundet solid evidens på en ny naturkraft, stemmer det meget tæt overens med det tidligere resultat og føjer yderligere støtte til teorien om, at vi kan være på kanten af et stort gennembrud.

Vi skal selvfølgelig være forbeholdne. Der er et stykke vej at gå endnu, før vi med en vis grad af sikkerhed kan hævde, at vi virkelig ser effekten af en femte naturkraft. 

Mine kolleger arbejder i øjeblikket hårdt på at presse så meget information som muligt ud af de eksisterende data, mens de har travlt med at forberede den første brug af det opgraderede LHCb-eksperiment.

I mellemtiden nærmer andre eksperimenter ved LHC, samt Belle 2-eksperimentet i Japan, sig de samme målinger.

Det er spændende at tænke på, at der i løbet af de næste par måneder eller år kan åbnes et nyt vindue til de mest fundamentale ingredienser i vores univers.

Denne artikel er oprindeligt publiceret hos The Conversation og er oversat af Stephanie Lammers-Clark.

The Conversation

Alle må bruge og viderebringe Forskerzonens artikler

På Forskerzonen skriver forskere selv om deres forskning. Vi mener, det er vigtigt, at alle får mulighed for at læse om forskning fra forskerens egen hånd.

Alle må derfor bruge, kopiere og viderebringe Forskerzonens artikler udfra følgende enkle krav:

  • Det skal krediteres: 'Artiklen er oprindelig bragt på Videnskab.dk’s Forskerzonen, hvor forskerne selv formidler'. Hvis artiklen bringes på web, skal der linkes til artiklen på Forskerzonen.
  • Artiklen må ikke redigeres og skal bringes i fuld længde (medmindre andet aftales med forskeren).
  • Du skal give forskeren besked om, at du genpublicerer.
  • Artikler, som er oversat fra The Conversation, skal have indsat en HTML-kode til indsamling af statistik i bunden. HTML-koden finder du i den originale artikel på The Conversations hjemmeside ved at klikke på knappen "Republish this article" ude til højre, derefter klikke på 'Advanced' og kopiere koden. Du finder linket til artiklen på The Conversation i bunden af Forskerzonens oversatte artikel. 

Det er ikke et krav, men vi sætter pris på, at du giver os besked, hvis du publicerer vores indhold (undtaget indhold fra The Conversation). Skriv til redaktør Anders Høeg Lammers på ahl@videnskab.dk.

Læs mere om Forskerzonen i Forskerzonens redaktionelle retningslinjer.

Hej! Vi vil gerne fortælle dig lidt om os selv

Nu hvor du er nået helt herned på vores hjemmeside, er det vist på tide, at vi introducerer os.

Vi hedder Videnskab.dk, kom til verden i 2008 og er siden vokset til at blive Danmarks største videnskabsmedie med 1 million brugere om måneden.

Vores uafhængige redaktion leverer dagligt gratis forskningsnyheder og andet prisvindende indhold, der med solidt afsæt i videnskabens verden forsøger at give dig aha-oplevelser og væbne dig mod misinformation.

Vores journalister fortæller historier om både kultur, astronomi, sundhed, klima, filosofi og al anden god videnskab indimellem - i form af artikler, podcasts, YouTube-videoer og indhold på sociale medier.

Vi stiller meget høje krav til, hvordan vi finder og laver vores historier. Vi har lavet et manifest med gode råd til at finde troværdig information, og vi modtog i 2021 en fornem pris for vores guide til god, kritisk videnskabsjournalistik.

Vores redaktion gør en dyd ud af at få uafhængige forskere til at bedømme betydningen af nye studier, og alle interviewede forskere citat- og faktatjekker vores artikler før publicering.

Hvis du går rundt og undrer dig over stort eller småt, vil vi elske at høre fra dig og forsøge at give dig svar med forskernes hjælp. Send bare dit spørgsmål til vores brevkasse Spørg Videnskaben.

Vi håber, at du vil følge med i forskningens forunderlige opdagelser her på Videnskab.dk.

Få et af vores gratis nyhedsbreve sendt til din indbakke. Du kan også følge os på sociale medier: Facebook, Twitter, Instagram, YouTube eller LinkedIn.

Med venlig hilsen

Videnskab.dk

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.

Danske corona-tal

Videnskab.dk går i dybden med den seneste corona-forskning. Læs vores artikler i temaet her.

Hver dag opdaterer vi også de seneste tal.

Dyk ned i grafer om udviklingen i antal smittede, indlagte og døde i Danmark og alle andre lande.

Ny video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's videojournalister med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.