To partikler kolliderer

Overvektig partikkel utfordrer fysikken

En elementærpartikkel som kalles W, har vist seg å være tyngre enn den burde være. Nå får ikke fysikerne den beste modellen de har av universets materie, til å stemme. Hvis målingene holder vann, kan en til nå ukjent partikkel være involvert – en partikkel som kanskje kan forklare mørk materie.

En elementærpartikkel som kalles W, har vist seg å være tyngre enn den burde være. Nå får ikke fysikerne den beste modellen de har av universets materie, til å stemme. Hvis målingene holder vann, kan en til nå ukjent partikkel være involvert – en partikkel som kanskje kan forklare mørk materie.

Shutterstock

Fysikerne har ganske god kontroll på hva alt består av. De har målt og veid alle de grunnleggende partiklene som alt materie er satt sammen av, og de har en god forståelse av de naturkreftene som partikler kan påvirke hverandre gjennom.

Men nå har resultatet av et veldig vanskelig, grundig og langvarig eksperiment vist at det likevel er grenser for hvor godt forskerne har forstått verden rundt oss. En elementærpartikkel som kalles W-partikkelen eller W-bosonet, er nemlig tyngre enn den burde være ifølge teorien som kalles standardmodellen.

W-partikkelen formidler den svake kjernekraften og er blant annet innblandet i visse former for radioaktiv nedbryting, og ved hjelp av standardmodellen kan fysikerne regne ut hva massen må være. Men ifølge de nye resultatene som er publisert i det anerkjente vitenskapelige tidsskriftet Science, er massen 0,1 prosent større enn beregnet.

Resultatet har vært underveis i tjue år

CDF-detektor

Fysikerne har brukt Fermilabs Tevatron-akselerator til å produsere fire millioner W-partikler i den store CDF-detektoren.

© Fermilab

W-partikkelen er ganske tung til elementærpartikkel å være, den veier omtrent det samme som fem oksygenatomer. Men den er ustabil og henfaller ekstremt raskt til andre partikler, og derfor er den uhyre vanskelig å veie. Det kreves en stor akselerator for i det hele tatt å frambringe partikkelen, og så må en veldig følsom detektor måle at den har vært der.

Eksperimentet ble foretatt ved hjelp av den enorme partikkelakseleratoren Tevatron på det amerikanske forskningssenteret Fermilab mellom 2002 og 2011, og så har det tatt nesten 400 fysikere mer enn ti år å analysere alle dataene som ble samlet inn av detektoren CDF (Collider Detector at Fermilab).

Fysikere foretar eksperimenter nettopp for å teste om teoriene de har, er helt riktige. Hvis resultatet av eksperimentet ikke stemmer med de teoretiske spådommene, er det noe galt – enten med teorien eller med eksperimentet.

Og her tyder resultatet altså på at fysikernes beste teori rett og slett ikke er god nok. Det vil si at fysikerne har forsøkt å samle det puslespillet som viser naturens grunnleggende partikler, og akkurat idet siste brikke skal legges, viser det seg at den er for stor.

Graf-w-bosonen

Målingene viser at W-partikkelens masse er noe høyere enn den burde være ifølge teorien. Hvis fysikernes modell hadde vært riktig, ville målingene ligge på den lilla linjen, men de ligger i stedet i den røde sirkelen.

Ny partikkel kan forklare mørk materie

Det er noe som ikke stemmer, så puslespillet må legges på en ny måte – kanskje ved hjelp av en ny, så langt ukjent brikke i form av en ny partikkel eller naturkraft.

Forskerne håper at oppdagelsen kan sette dem på sporet av ny fysikk som ikke bare kan forklare W-partikkelens vekt, men også hva mørk materie består av. Astronomer har funnet ut at mesteparten av materien i universet er usynlig, og kanskje består denne mystiske mørke materien av den samme partikkelen som på en eller annen måte gir W-partikkelen ekstra masse.

Men det er også mulig at fysikerne rett og slett har gjort en feil da de beregnet massen av W-partikkelen ut fra de eksperimentelle dataene. Kanskje veier den på ingen måte for mye.

Det er viktig at resultatet blir bekreftet av andre forskere, og det er også allerede planer om å gjenta eksperimentet med nytt og enda mer nøyaktig utstyr – framfor alt vil en framtidig europeisk akselerator som kalles Future Circular Collider, være velegnet når W-partikkelen skal veies igjen.