Dansker bag effektivt våben i jagten på ny fysik
I partikelacceleratoren LHC smadres protoner sammen med så stor kraft, at helt nye og hidtil ukendte partikler kan opstå. Nu har en ph.d.-studerende fra Syddansk Universitet været med til at udvikle en metode, der gør det lettere at genkende de nye partikler, hvis de dukker op.

Sammen med to andre forskere har ph.d.-studerende Matin Mojaza fundet en metode, der gør det nemmere at regne på resultatet af kollisioner i partikelacceleratorer. (Foto: Matin Mojaza)

Det er ikke til at regne med naturen. I hvert fald er det uhyre svært at forudsige, hvad der sker, når naturens allermindste partikler støder sammen.

Men nu er det blevet lidt lettere, for tre fysikere fra hvert sit kontinent har præsenteret en ny, matematisk teknik, der kan hjælpe teoretiske fysikere med at forudsige resultatet af eksperimenter, hvor kvarker - atomkernernes bestanddele - mødes.

Ph.d.-studerende Matin Mojaza fra Centre for Cosmology and Particle Physics Phenomenology på Syddansk Universitet i Odense har udviklet metoden sammen med Stanley Brodsky fra Stanford University i USA og Xing-Gang Wu fra universitetet i Chongqing i Kina. Resultatet af deres anstrengelser er beskrevet i en artikel i tidsskriftet Physical Review Letters.

Fysikerne håber, at den nye teknik kan bruges til at identificere helt nye elementarpartikler, der aldrig er observeret før, fortæller Matin Mojaza.

»Vi har gjort det nemmere at genkende ny fysik. Vores metode vil hjælpe dem, der regner på, hvad der sker i eksperimenterne. Vi giver dem et værktøj til at fjerne usikkerheden i beregningerne.«

Fysikerne leder efter en teori for alting

I øjeblikket er verdens kraftigste partikelaccelerator LHC ved forskningscenteret CERN i Schweiz ved at blive opgraderet, så protoner kan blive smadret sammen med endnu større energi end før, når acceleratoren genstarter i 2015.

Det helt store spørgsmål er, om naturen gemmer på overraskelser - om der dukker nye og hidtil ukendte partikler op i de kraftige sammenstød. Sådanne partikler vil lede fysikerne på sporet af en teori for alting.

Den nuværende teori har ellers vist sig at være uhyre driftssikker. Den kan fysikerne bruge til at forudsige, hvad der sker, når partikler kolliderer. Hvis eksperimenterne så viser noget andet, end hvad beregningerne viser, så er der sket noget uventet, som skal undersøges nærmere.

Udfordringen er så, at man skal være i stand til at regne meget præcist på den nuværende teori for at forudsige, hvad der ifølge den sker ved kollisionerne i acceleratorerne. Ellers kan man ikke skelne mellem eksperimentelle resultater, der passer med den eksisterende teori, og så dem, der kræver en ny teori - helt ny fysik.

Partikler er svære at regne på

Xing-Gang Wu, Stan Brodsky og Matin Mojaza (th.) rejser rundt og fortæller om fordelene ved deres nye metode. Her er de fotograferet ved universitetet i Chongqing i Kina. (Foto: Yang Ma/ Matin Mojaza)

Matin Mojaza uddyber: »Hvis man klasker to protoner sammen, så vekselvirker de kvarker og gluoner, der er indeni. Teorien for, hvordan de partikler interagerer, hedder kvantekromodynamik. Det er en veletableret, men også meget tung teori - den er svær at regne på.«

»Når to kvarker støder ind i hinanden, kan der for eksempel udsendes en gluon. Den kan henfalde til nogle andre, kortlivede partikler, for eksempel tungere kvarker som topkvarken - som igen henfalder. Slutproduktet måler man så med detektorerne.«

»Når vi skal finde ud af, om der foregår noget fysik, som vi ikke kender til, så skal vi vide helt præcist, hvad den allerede kendte teori, altså kvantekromodynamikken, forudsiger - så kan vi se, hvordan teoriens forudsigelser passer med det, som vi ser.«

Uendeligheder skal udryddes

»Men her er der nogle tekniske problemer, for når vi regner på teorien, opstår der divergenser - der dukker uendeligheder op, og det er ikke fysiske størrelser,« fortæller Matin Mojaza.

Umiddelbart giver teorien giver ingen mening, men fysikerne redder den ved hjælp af et trick, der kaldes renormering. Teoriens matematiske parametre bliver forbundet med fysiske parametre, som kan måles, og så forsvinder alle de ufysiske uendeligheder.

»Man kan renormere på mange forskellige måder, men med vores metode bliver det lettere for de teoretiske fysikere at finde ud af, hvilken form for renormeringsteknik, de bør bruge. På den måde har vi fjernet en usikkerhed i de teoretiske beregninger.«

Det er især de kollisioner, hvor der indgår en topkvark, som er svære at regne på med de gamle metoder. Og netop topkvarken kan sagtens indgå, når der dannes nye partikler. Den nye metode kan fjerne usikkerhederne i beregningerne af den slags processer.

»Nu kan vi med større sikkerhed sige, om det, vi måler ved CERN, passer med den eksisterende teori, eller om det ligger uden for teorien og viser noget ny fysik.«

Videnskab.dk Podcast

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