Mystiske krefter står på spill hundre meter under bakken i Sveits. Forskerne ved det europeiske atomforskningsinstituttet CERN kan rett og slett ikke få resultatene sine til å stemme med grunnleggende fysiske teorier.
I 14 år har forskerne dundret partikler sammen i den 27 kilometer lange akseleratoren LHC og studert de energirike produktene som oppstår i sammenstøtene. Forsøkene har stort sett bekreftet alt det vi vet om hva universet er bygd opp av, og hvilke naturkrefter som styrer det. Men de siste fem årene har resultatene i en av detektorene, som kalles LHCb, gitt fysikerne rynker i pannen.
Detektoren måler en bestemt eksotisk partikkel, og den oppfører seg ikke som den burde, når den henfaller til mindre energirike partikler. Det må derfor være noen ukjente krefter som påvirker prosessen – kanskje en ny naturkraft vi kan føye til de fire vi kjenner fra før.
En ny naturkraft vil ikke bare være århundrets oppdagelse – den vil også gi nye muligheter for å utforske universets dypeste mysterier. Kanskje vil den vise oss hvorfor det finnes materie i universet, hva som holder sammen galaksene, og om det finnes skjulte dimensjoner.
Målinger fra LHCb-detektoren ved CERN i Sveits tyder på at ukjente krefter påvirker henfallet av bestemte partikler.
Tusen fysikere følger med
Sammenstøtene i LHCb-detektoren følges nøye av forskere over hele verden. I alt sitter omkring tusen fysikere ved hver sin dataskjerm og analyserer dataene fra eksperimentene – fullt klar over at de kanskje holder på å skrive vitenskapshistorie.
«Betydningen kan være enorm – dette kan være det første skrittet mot oppdagelsen av en ny kraft!» Dr. Philip Ilten, forsker ved universitetet i Cincinnati og deltager i LHCb-eksperimentet
Hvis det viser seg at en ukjent naturkraft er innblandet, vil det utfordre den såkalte standardmodellen i fysikken, som omhandler alt det vi vet om materie og krefter i universet.
I dag innbefatter modellen fire naturkrefter: tyngdekraften, den elektromagnetiske kraften, den svake kjernekraften og den sterke kjernekraften.
Fire krefter forklarer det meste
De fire kjente naturkreftene kan forklare nesten alle de fenomenene vi ser rundt oss. Kreftene blir formidlet av bestemte partikler – noen over store avstander i universet, andre på korte avstander, inne i atomene.
1. Elektromagnetisk kraft gir lys
Den elektromagnetiske kraften er ikke bare ansvarlig for magnetisme og elektrisitet, men også for alle de fenomenene som har med lys og annen elektromagnetisk stråling å gjøre. Kraften formidles av fotoner.
2. Tyngdekraften styrer universet
Tyngdekraften holder jorden fast i bane rundt solen og styrer alle bevegelsene til stjerner og galakser i verdensrommet. Den er den svakeste av de fire kjente naturkreftene, og vi kjenner ikke partikkelen som formidler den.
3. Svake kjernekrefter kontrollerer henfall
Atomkjernene i radioaktive stoffer henfaller over tid til lavere energinivåer. Når det skjer, sender de ut radioaktiv stråling. Henfallet styres av de svake kjernekreftene, som formidles av to partikler: W-bosonet og Z-bosonet.
4. Sterk kjernekraft er limet i atomkjernen
Kjernepartiklene – protoner og nøytroner – er bygd opp av såkalte kvarker. Det er den sterke kjernekraften som binder kvarkene sammen. Partiklene som formidler denne naturkraften, kalles gluoner.
De fire naturkreftene er veldig ulike, både i rekkevidde og i styrke. Selv om tyngdekraften er den naturkraften de fleste av oss kjenner best fra vårt daglige liv, er den mye, mye svakere enn de andre kreftene.
Tyngdekraften har bare en kvintilliondel – en kvintillion har 30 nuller – av styrken til den nest svakeste kraften, som er den svake kjernekraften. Det betyr at mens de tre andre kreftene har stor innflytelse på hvordan partikler inne i atomene påvirker hverandre, er tyngdekraftens effekt så liten at den ikke kan måles.
Til gjengjeld virker tyngdekraften over veldig store avstander. Mens kjernekreftene bare har effekt på atomært plan, er rekkevidden til tyngdekraften og den elektromagnetiske kraften i prinsippet uendelig.
Hvis det finnes en femte ukjent naturkraft, vet vi ikke hvor langt den rekker, men forsøkene i LHCb tyder på at den i hvert fall spiller en rolle inne i partiklene i atomkjernene.
Ustabile partikler bryter loven
Standardmodellen deler elementærpartiklene i to ulike typer: Kraftpartikler, som formidler naturkreftene, og materiepartikler, som utgjør all materien i universet. Blant de sistnevnte finner vi for eksempel elektroner og de såkalte kvarkene, som er byggesteinene i atomkjernene.
Kvarker finnes i flere varianter. Protoner og nøytroner består av de letteste typene, som kalles opp- og nedkvarker.
Standardmodellen inneholder i tillegg fire tyngre kvarker: sær-, sjarm-, bunn- og toppkvarkene. Akkurat som opp- og nedkvarkene kan de gå sammen og danne større partikler, såkalte hadroner.
Men når det skjer, er de veldig ustabile. Et hadron som for eksempel inneholder en bunnkvark, henfaller derfor raskt til en lettere type hadron. Samtidig forvandles bunnkvarken til den lettere særkvarken, og når det skjer, frigjøres det samtidig et elektron eller et såkalt myon, som er elektronets tyngre fetter.
Det er nøyaktig disse biproduktene av henfallet som LHCb kan måle.
Den 21 meter lange og 5600 tonn tunge LHCb-detektoren fanger opp elektroner og myoner (røde streker) som oppstår når eksotiske partikler henfaller.
Ifølge standardmodellen må det være såkalt universalitet mellom de to typene henfall. Det betyr at sannsynligheten for at det frigjøres et elektron, er nøyaktig like stor som for at det frigjøres et myon.
Detektoren burde derfor registrere like mange elektroner og myoner fra henfallet, men det skjer ikke. Etter mer enn fem år med eksperimenter, der fysikerne har målt resultatet av flere hundre milliarder henfall, er det fortsatt en ubalanse.
Av 100 målte henfall resulterer 54 i et elektron som biprodukt – og bare 46 i et myon. Og det er et hardt slag for standardmodellen, som for øvrig er testet med enorm presisjon i tusenvis av andre eksperimenter. Hvis modellens universalitet faller, må det stå helt nye fysiske fenomener bak.
LHCb-detektoren måler henfallet av partikler som inneholder såkalte bunnkvarker (grønt). Henfallet burde resultere i like mange elektroner (blått) og myoner (rødt), men slik er det ikke. Ubalansen kan skyldes en ukjent naturkraft.
Fysikerne må være helt sikre
Når fysikerne utfordrer en velprøvd teori som standardmodellen, må de selvfølgelig være helt sikre i sin sak. Til tross for det store datasettet, kunne det jo være snakk om en statistisk tilfeldighet.
Forskerne ved LHCb er derfor ytterst forsiktige og bruker mye tid på å beregne hvor stor sjansen er for at resultatene ikke bare skyldes tilfeldigheter.
De bruker en egen skala der sannsynligheten for tilfeldigheter beskrives med den greske bokstaven sigma. Én sigma betyr at det er nesten 16 prosent sannsynlighet for at observasjonene skyldes tilfeldigheter.
Fysikerne krever fem sigma før de tør konstatere at det er snakk om en oppdagelse. Det betyr at sannsynligheten for tilfeldigheter må helt ned i en delt på 3,5 millioner.
Resultatene er 99,9 prosent sikre – men det er fortsatt ikke nok!
Med de nyeste resultatene fra LHCb har fysikerne passert tre sigma, noe som svarer til en sannsynlighet på 0,1 prosent for at den målte ubalansen mellom elektroner og myoner skyldes tilfeldigheter. Resultatene er med andre ord 99,9 prosent sikre.
Hvis målingene fortsetter å vise den samme ubalansen de neste årene og forskerne når målet sitt på fem sigma, står teoretiske fysikere i kø med ulike forslag til en forklaring.
De fleste av teoriene foreslår en ny type naturkraft i stil med de fire vi kjenner fra før. Hvis den skal følge logikken fra resten av standardmodellen, vil den formidles gjennom en elementærpartikkel, på samme måte som de andre kreftene bæres av fotoner, gluoner eller W- og Z-bosoner.
Det store håpet er at den nye naturkraften vil lede fysikerne fram mot løsningene på universets største mysterier.
En ny kraft skal løse de dypeste gåtene
Hvis fysikerne finner en ny naturkraft, vil de umiddelbart bruke den til å gå på jakt etter svarene på helt fundamentale spørsmål som dagens fysiske teorier ikke har klart å knekke.
1. Hvorfor finnes det noe i stedet for ingenting?
Ved big bang ble det ifølge teorien skapt like mye materie som antimaterie. De to typene materie burde ha utslettet hverandre i det første sekundet. En ny naturkraft kan kanskje forklare hvorfor det ble noe materie til overs.
2. Hvor skjuler den mørke materien seg?
Tyngdekraften fra den synlige materien i galaksene er ikke sterk nok til å holde dem sammen. Det må være noe annet, såkalt mørk materie, som virker mellom stjernene. En ny naturkraft kan kanskje vise veien til det.
3. Finnes det skjulte dimensjoner?
Noen fysikere mener at universet inneholder flere dimensjoner enn de vi kjenner som rom og tid. Den nye naturkraften, med tilhørende formidlende partikler, vil kanskje gi oss innsikt i de skjulte dimensjonene.
Hvis den formidlende partikkelen bak den nye naturkraften har masse, akkurat som W- og Z-bosonene, kan den kanskje løse et av astrofysikkens største mysterier: den såkalte mørke materien i universet.
Den synlige materien utgjør bare en femtedel av massen i universet. Resten består av materie vi ikke kan se. Vi vet om den bare fordi vi kan observere effektene av tyngdekraften fra den.
En ny naturkraft vil kanskje kunne fungere som en mellommann mellom partikler i den mørke materien og de partiklene vi kjenner fra standardmodellen. Det betyr at fysikerne kanskje vil kunne produsere mørk materie i laboratoriet ved hjelp av den nye naturkraften.
En annen mulighet er at den ukjente kraften kanskje kan åpne dørene til de usynlige dimensjonene som ifølge noen fysikere finnes i universet. Vi kan kanskje få svar på hvorfor tyngdekraften er så svak. Kanskje forsvinner den rett og slett ut i de ukjente dimensjonene.
Japan og USA tar over
Forskerne ved LHCb ligger i dag i front i jakten på den ukjente kraften. Men de neste årene kan de bli forbigått, siden akseleratoren skal oppgraderes og demed vil være utilgjengelig.
Ved eksperimentet Belle II i Japan har fysikere også begynt å måle henfallet av hadroner med bunnkvarker, og de er naturligvis spente på om de vil registrere den samme ubalansen som LHCb-forskerne har funnet.
I akseleratoren hos Fermilab i USA har fysikerne også fått ferten av en ukjent naturkraft, men på en annen måte.
Det amerikanske eksperimentet ser på myoner, som fungerer som små magnetiske snurrebasser. Når myonene utsettes for et magnetfelt, endres rotasjonsaksen, men endringen har vist seg å være 0,1 prosent større enn teorien forutsier. Ifølge forskerne kan avviket skyldes den ukjente naturkraften.
Fysikere ved Fermilab i USA undersøker hvordan myoner oppfører seg når de utsettes for et magnetfelt. Resultatene gir mistanke om at de påvirkes av en ukjent kraft.
Hvilket team av fysikere som først når fem sigma, vil vise seg i det kommende tiåret. I 2028 er oppgraderingene ved CERN gjennomført, så de europeiske forskerne kan sette inn en spurt.
Da kan de samle resultater minst ti ganger så raskt som de har kunnet så langt. Dermed vil de stå med det beste våpenet i jakten på det endelige beviset for den ukjente naturkraften.