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.
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.
\ 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.
\ Læs mere
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.
