Mystisk signal kan stamme fra ukendt femte urkraft

Fire naturkræfter styrer slagets gang i universet, nemlig en tyngdekraft, en elektromagnetisk kraft samt en stærk og en svag kernekraft.

Det er den forestilling, som præger fysikken i dag og som har været afgørende for, hvilke fysiske fænomener forskerne har regnet med at kunne finde og udforske i deres eksperimenter.

Det vakte derfor stor opstandelse, da en forskergruppe ved partikelforskningscentret Fermilab i Illinois, USA for nylig meldte ud, at de ved at smadre partikler sammen ved stor hastighed kan være kommet på sporet af endnu en naturkraft, som ellers ikke er beskrevet i den mest gængse teori inden for partikelfysikken kaldet Standardmodellen.

Resultaterne har forskerne offentliggjort i en videnskabelig onlinedatabase, men er endnu ikke blevet tjekket igennem af uafhængige forskere i et såkaldt peer reveiw.

»Signalet tyder på eksistensen af en partikel med en masse, som ikke er forudsagt af teorien,« står der i den videnskabelige artikel.

Mulig partikel kan ikke være Higgs

Inden for partikelfysik bliver hver naturkraft udøvet af en særlig partikel (se boks). Det, som fysikerne ved Fermilab helt konkret har fundet, er et signal, der kan være skabt af en stor flok hidtil ukendte, lette partikler, der hver i sær har en energi (masse) på 150 GeV. Disse partikler kunne godt tolkes som værende bærere af en hidtil ukendt naturkraft ud over de velkendte fire.

Hvis signalet virkelig stammer fra ukendte partikler, svarer deres masse nogenlunde til, hvad man forventer af den såkaldte Higgspartikel, som forskere ved bl.a. CERN for øjeblikket leder efter. Men der er andre ting ved eksperimentet, der udelukker, at det kan være Higgs, der er på spil.

1. Man ville aldrig indfange Higgspartikler i så stort et antal, da den ifølge teorien ’snakker’ meget lidt med omgivelserne og dermed i langt de fleste tilfælde bare vil stryge forbi detektorerne.
   
2. Higgspartikler ville hurtigt henfalde til andre partikler, som man har holdt øje med men ikke set skyggen af. Hvis signalet virkelig stammer fra en partikel, må det altså være en totalt ukendt slags, som ikke falder ud af den populære Standardmodel.

Bakker op om alternativ teori

Det store spørgsmål er så, hvilken slags partikel, der kan være tale om, og det har professor Fransesco Sannino, der leder partikelforskningscentret Center of Excellence for Particle Physics Phenomenology på Syddansk Universitet et bud på.

Hans forskergruppe arbejder med en alternativ teori til Standardmodellen kaldet for technicolor, der ikke påstår eksistensen af Higgs men en anden partikel, der godt kunne give et signal a la dét, som forskerne på Fermilab har fundet.

Den partikel, som technicolor-modellen påstår findes, udøver en ultrastærk kernekraft. Den giver en naturlig forklaring på, hvordan de partikler, vi kender i dag, har fået masse.

»Jeg prøver på at lade være med at blive for begejstret. Det nye signal kan altså være noget stort og revolutionerende, men det kræver flere eksperimenter før man kan afgøre, om det virkelig er en femte urkraft, de har fundet, hvilket i såfald ville bakke op om den teori, vi arbejder med, eller om signalet i virkeligheden blot er et fejlsignal,« siger Fransesco Sannino.

Støj er svært at få styr på

Fysikerne bag eksperimentet på Fermilab understreger selv, at det endnu er langt fra sikkert, om signalet virkelig stammer fra en ukendt partikel, eller om der er tale om en eller anden form for fejlsignal. Af samme grund er mange fysikere i Danmark skeptiske over for målingerne. Det fortæller lektor i eksperimentel partikelfysik Stefania Xella fra Niels Bohr Instituttet på Københavns Universitet.

»Det er uklart, hvordan man skal fortolke de nye resultater. Det kan være ny fysik, men inden vi drager for hastige konklusioner og hopper op på stolene, er det afgørende at få tjekket resultaterne igennem og følge op med flere uafhængige eksperimenter,« fortæller hun og henviser til, at man lige nu afventer resultaterne fra et andet uafhængigt eksperiment ved Tevatron i Fermilab, der har den samme mængde data og som derfor også burde få et tilsvarende signal, hvis de pågældende partikler findes.

Selv er hun skeptisk over for målingerne, fordi der efter hendes vurdering er der nogle oplagte ting ved eksperimentet, der kunne forklare det mystiske signal, som f.eks. regnefejl i de teoretiske forudsigelser af, hvor stor baggrundsstøjen er, og som skal trækkes fra de faktiske målinger.

Foreløbig er der derfor ikke andet at gøre end at vente på, at fysikerne ved Fermilab bliver færdige med at analysere det uafhængige sæt målinger.

»Hvis dette er ny fysik, så viser det noget andet end det, vi forventer. Dette gør fundet ekstra spændende og tvinger teoretikerne på overarbejde. Det vil med sikkerhed tvinge os til at åbne vores øjne for anderledes tegn på ny fysik,« siger Stefania Xella.

Vigtigt studie uanset hvad

En af de forskere, der ser store perspektiver i de nye målinger, er den danske postdoc i kosmologi Signe Rimer-Sørensen fra Dark Cosmology Centret på Københavns Universitet, der lige nu er udstationeret på University of Queensland i Australien.

»Det er spændende, når noget uventet dukker op i de store eksperimenter, for uanset om årsagen er en forkert bestemt baggrund eller en ny partikel, så peger det på noget, som vi ikke forstår,« siger hun.

»Inden for partikelfysik findes der teorier, der kan forudsige partikler med alle mulige egenskaber, så hvis signalet er virkeligt, kan det hjælpe med at udvælge den rigtige teori, hvilket vil være helt fantastisk. Alle de mange forskellige, og indtil nu lige gode teorier, er jo årsagen til, at vi udfører eksperimenter,« siger hun.

Hun bider mærke i, at forskerne selv påpeger en vis usikkerhed i den måde, de bestemmer baggrundsstøjen på.

Forskerne har detekteret en afvigelse på 3,2 sigma, hvilket i andre videnskabelige retninger ville være nok til at blive opfattet som en reel opdagelse. Men på grund af kompleksiteten af både detektorer og teori, regner man ikke noget under 5 sigma for en opdagelse i partikelfysik. Af samme grund er ét eksperiment ikke nok til at vide sig sikker på resultatet.

»Heldigvis ligger signalet i et energiinterval, hvor både de andre eksperimenter på Fermilab og eksperimenterne på CERN ligger inde med data. Så lige nu er der nok nogle forskere rundt omkring, der analyserer på livet løs for at be- eller afkræfte signalet,« siger hun.

I benhård konkurrence med CERNS LHC

Professor Steen Hannestad fra Institut for Fysik & Astronomi på Aarhus Universitet er meget skeptisk over for det nye resultat. Han bekræfter, at det i princippet godt kan være rigtigt, at det er en ny partikel. Men i så fald har partiklen nogle meget mærkelige egenskaber som bestemt ikke er forudsagt.

»Der ikke rigtigt nogen, der tror på resultatet. Det ligner påfaldende noget, som kunne være baggrundsstøj, der ikke er trukket ordentligt fra,« siger han og slutter:

»Man skal muligvis også se resultatet i lyset af, at funding for Tevatron udløber ved udgangen af 2011 og at forskerne utroligt gerne ville have været først med en eller anden form for opdagelse af nye partikler før LHC alligevel ser det hele,« siger Steen Hannestad.