Standardmodellen versus supersymmetri: Hvilke fysiske teorier kan vi stole på og hvorfor?
KOMMENTAR: Hvornår går en fysisk teori fra at være rent spekulativ til at være vores bedste bud på, hvordan verden og universet er skruet sammen? Det handler ikke mindst om teoriens forudsigelseskraft.

Fysikken er en eksperimentel videnskab, og en ny teori bliver først bredt anerkendt, når den har bevist sin forudsigelseskraft. Det har supersymmetri ikke formået, vurderer Niels Jakob Søe Loft. (Foto: Shutterstock)

Fysikken er en eksperimentel videnskab, og en ny teori bliver først bredt anerkendt, når den har bevist sin forudsigelseskraft. Det har supersymmetri ikke formået, vurderer Niels Jakob Søe Loft. (Foto: Shutterstock)

Er det rigtigt, at ifølge fysikken... består alting af vibrerende strenge? ...er der mere end tre rumlige dimensioner? … har alle partikler en supersymmetrisk partner? ... findes der parallelle universer?

Ovenstående er eksempler på mange af de fundamentale spørgsmål om vores verden, man kan gruble over. Det er samtidig nogle af de spørgsmål, jeg får fra de engagerende og nysgerrige tilhørere, når jeg holder offentlige fysikforedrag.

Mysteriet om naturens inderste væsen har altid fascineret os, og derfor nyder forskningen på dette område stor opmærksomhed i populærvidenskabelige medier.

Fascinerende er det også at høre om de eksotiske teorier, som nogle fysikere arbejder med i dag. Men hvad er op, og hvad er ned? Hvilken idé er den rigtige at forfølge – hvis nogen af dem overhovedet?

I en serie artikler her på Forskerzonen vil jeg forsøge at svare på spørgsmål om fysik efter bedste evne. Svarene er udtryk for mine personlige overbevisninger, og andre fysikere ville måske svare anderledes.

Standardmodellen: en teori om verdens mindste byggesten

Hvad er fysikerne enige – og ikke enige – om? I dag er der videnskabelig konsensus om, at 'standardmodellen' er den mest fundamentale beskrivelse af verdens mindste byggesten, vi har.

Er det rigtigt, at ifølge fysikken…

I denne serie besvarer ph.d. i fysik Niels Jakob Søe Loft nogle af de basale spørgsmål om verden, universet og fysikkens love, han møder, når han er ude og holde foredrag om fysik.

Vi kommer blandt andet omkring parallelle universer, Newtons love, elektroners evne til at være to steder på én gang og meget mere.

For eksempel beskriver standardmodellen, hvordan partikler kendt som kvarker binder sig til hinanden og danner protoner og neutroner, som atomkerner består af.

Den beskriver, hvordan elektroner kan absorbere og udsende lys, når de springer mellem elektronskaller, som læseren måske kender fra Bohrs atommodel.

Den forklarer, hvordan partikler som kvarker og elektroner opnår masse ved at vekselvirke med Higgs-partiklen, som i 2012 var den sidste af standardmodellens partikler, der blev eksperimentelt bekræftet.

Dette er blot nogle få af de fænomener, som standardmodellen redegør for.
 
Standardmodellens partikler (kvarker, elektroner, Higgs-partikler osv.) kaldes elementarpartikler, fordi alt andet i verden i sidste ende består af disse elementære byggesten.
 

Kort fortalt er den en samlet teori for alle de elementarpartikler, vi har observeret, og deres indbyrdes vekselvirkninger.

Ingen tyngdekraft i standardmodellen

Selvom standardmodellen redegør for en enorm del af fysikken, er det vigtigt at understrege, at den ikke er en teori for alting. Den største udeladelse er tyngdekraften.

Det er dog ikke et praktisk problem, fordi tyngdekraften er ubetydeligt svag mellem elementarpartiklerne. Vi kan altså ikke forvente, at standardmodellen redegør for tyngdekraften. Teoriens anvendelsesområde er begrænset til elementarpartiklernes mikroskopiske verden.

Hvis vi skal så tvivl om standardmodellens værdi som videnskabelig teori, skal vi derfor lede efter problemer blandt elementarpartiklerne. Her vil jeg fremhæve to eksempler, hvor teoriens forudsigelser afviger en smule fra eksperimenterne.

Standardmodellens små afvigelser

Det første er spørgsmålet om massen på neutrinoerne, som er elementarpartikler, der blandt andet udsendes ved visse radioaktive henfald. Af tekniske årsager kan Higgs-partiklen ikke give masse til neutrinoerne, hvorfor de forventes at være masseløse.

Figuren giver en oversigt over, hvor veletablerede eller spekulative forskellige fysiske teorier er. (Figur: Niels Jakob Søe Loft)

Men ved at studere antallet af forskellige typer af neutrinoer udsendt fra Solen kan man deducere, at de have en masse, der dog er meget lille. Dermed opstår uoverensstemmelsen.

Det andet eksempel er værdien af muonens magnetiske dipolmoment. En muon er elektronens overvægtige fætter – en elementarpartikel, der deler mange egenskaber med elektronen, men har en masse, der er cirka 200 gange større.

Ligesom elektronen har den et såkaldt 'spin', der får den til at opføre sig som en mikroskopisk stangmagnet, der er karakteriseret ved et tal, der kaldes dipolmomentet.

Dette tal kan beregnes teoretisk ud fra standardmodellen, men værdien afviger mere fra den eksperimentelt målte værdi, end måleusikkerheder kan redegøre for.

Den slags fejlskud har de andre anerkendte teorier som Newtons love, kvantemekanik og relativitetsteorierne (den specielle og den generelle) ikke.

Indenfor deres respektive anvendelsesområder kender vi ingen forkerte forudsigelser. Newtons love gælder for røde såvel som for blå fodbolde.

Ganske vist bryder Newtons love sammen, når hastigheden på fodboldene nærmer sig lysets hastighed, men da bevæger vi os udenfor teoriens anvendelsesområde og kan ikke forvente et korrekt svar.

Standardmodellen har ikke tyngdekraften med, fordi tyngdekraften er ubetydeligt svag mellem elementarpartiklerne. Newtons love bryder sammen ved for høje hastigheder. (Figur: Niels Jakob Søe Loft)

Uden forudsigelseskraft, ingen bred anerkendelse

Så vidt de teorier, fysikerne er enige om. På den anden side af konsensusgrænsen finder vi de spekulative teorier, som i dag ikke er eksperimentelt underbyggede. Fysikken er en eksperimentel videnskab, og en ny teori bliver først bredt anerkendt, når den har bevist sin forudsigelseskraft.

Man kan derfor ikke sige, at fysikken påstår noget bestemt, før der er bred videnskabelig konsensus. Det er der, når det kommer til standardmodellen, kvantemekanik, Newtons love med videre.

Men det er der ikke, når det kommer til strengteori, parallelle universer og supersymmetriske partikler.

Svaret på de indledende spørgsmål er altså nej.

Selvom man kan lave en teori for vibrerende strenge i en højdimensionel verden, betyder det ikke, at de eksisterer ifølge fysikken.

Supersymmetri: Realistisk, men intet tyder på, at den er korrekt

Nogle teorier kan være mere realistiske end andre. Supersymmetri bygger på de samme principper som standardmodellen, nemlig at de fysiske love for elementarpartiklerne overholder nogle fundamentale 'symmetrier'.

Et eksempel er rotationssymmetri: Hvis jeg vælger at rotere hele mit fysiske eksperiment 90 grader, skal jeg få det samme resultat før og efter rotationen.

Fakta
Forskerzonen

Denne artikel er en del af Forskerzonen, som er stedet, hvor forskerne selv kommer direkte til orde.

Her skriver de om deres forskning og forskningsfelt, bringer relevant viden ind i den offentlige debat og formidler til et bredt publikum.

Forskerzonen er støttet af Lundbeckfonden.

Symmetrierne i standardmodellen er lidt mere komplicerede, men det er grundlæggende den samme idé. Fra et matematisk synspunkt er supersymmetri en naturlig forlængelse af standardmodellens symmetrier.

En konsekvens af supersymmetri er, at enhver elementarpartikel må have en supersymmetrisk partner-partikel med samme masse. Eksempelvis ville elektronen få en supersymmetrisk partner, kaldet 'selektronen' med samme masse som elektronen.

Imidlertid gælder der, at jo lettere en partikel er, jo lettere er den at skabe i de energirige sammenstød mellem partikler, som forskere blandt andet producerer i Large Hadron Collider (LHC) på forskningsinstitutionen CERN.

Dette kan vi forstå gennem Einsteins berømte ækvivalens mellem energi og masse, E = mc2, hvor c er lysets konstante fart. Jo større masse m en partikel har, jo mere energi E skal sammenstødet kunne omsættes til for at producere partiklen.

Hvis den hypotetiske selektron har samme masse som den lette elektron, ville vi have opdaget den for længst som et produkt af energifattige sammenstød, der er nemme at lave eksperimentelt.

En masse så stor, at vi ikke kan finde den

Betyder det så, at idéen om supersymmetri er død ved fødslen? Nej, ikke helt. Der kan være tale om en såkaldt 'brudt supersymmetri', der giver de supersymmetriske partikler langt højere masser end deres partikel-partnere. Dermed vil det kræve langt mere energirige sammenstød at producere dem, hvilket kræver større partikelacceleratorer.

Lad os lave en parallel mellem supersymmetri og rotationssymmetri. En kugle er som bekendt rund, det vil sige rotationssymmetrisk.

I vores analogi svarer det til den ubrudte supersymmetri, hvor elektronen og selektronens masse er ens. Som nævnt kan denne model straks afvises.

Men hvis vi giver kuglen en bule, er den ikke længere perfekt rund, og vi har brudt rotationssymmetrien. Ligesom kuglen kan deformeres på utallige måder, kan vi bryde supersymmetri på utallige måder.

Supersymmetri nyder ikke den store opbakning i det brede videnskabelige miljø. (Figur: Niels Jakob Søe Loft)

En brudt supersymmetri tillader elektronen og selektronen forskellige masser og afhængig af, hvordan man vælger at bryde symmetrien, kan man groft sagt få selektronens masse til at være vilkårligt stor.

Særligt kan man få massen til at være så stor, at nutidens bedste eksperimenter ikke kan finde selektronen. Dette kan holde liv i visse supersymmetriske teorier, men det er videnskabeligt utilfredsstillende blot at rykke teorien udenfor eksperimenternes rækkevidde.

Supersymmetri afgjort med en god flaske cognac

Da verdens største partikelaccelerator, LHC, blev tændt i 2010, begyndte fysikerne at afsøge hidtil ukendt land for nye partikler. Alle ventede i spænding på, om de supersymmetriske partnere ville dukke op.

Allerede i år 2000 havde eksperterne i teoretisk partikelfysik væddet om, hvorvidt det ville ske.

LHC fandt Higgs-partiklen, men ikke skyggen af supersymmetriske partikler. Dermed blev de mest attraktive teorier for brudt supersymmetri udelukket. Det afgjorde det gamle væddemål, og i 2016 måtte fortalerne for supersymmetri overdrage en flaske god cognac til skeptikerne.

For mange fysikere var LHC den afgørende test for supersymmetri. Selvom nogle holder fast i en brudt supersymmetri med meget tunge partner-partikler, vurderer jeg, at supersymmetri i dag er afvist af det brede videnskabelige miljø.

Hermed er supersymmetri altså så godt som afvist – i næste artikel vender vi blikket mod strengteori, parallelle universer samt sløjfekvantegravitation (engelsk: loop quantum gravity).

... Eller følg os på Facebook, Twitter eller Instagram.

Se den nyeste video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab, klima og sundhed henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's Center for Faglig Formidling med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.


Videnskab.dk Podcast

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