All kjent materie i universet – fra fjerne galakser til aminosyrene i kroppen din – blir beskrevet av den såkalte standardmodellen. Fysikkens bibel forklarer hvilke partikler atomene består av, og hvilke krefter som styrer dem.
Standardmodellen er verdens mest vellykkede vitenskapelige teori og har blant annet gjort det mulig å utvikle all moderne elektronikk. Men teorien har flere alvorlige mangler – blant annet gir den ingen forklaring på tyngdekraften.
Derfor jobber fysikerne til enhver tid for å forbedre den, og for ti år siden startet et stort prosjekt med å veie W-bosonet, en partikkel som er viktig for å forstå radioaktivitet. Da resultatet ble offentliggjort i 2022, sperret fysikerne opp øynene.
Stikk i strid med all forventning viste de veldig nøyaktige målingene at W-bosonet er en hel del tyngre enn standardmodellen forutsier.
0,09 prosent avviker den nye målingen av W-bosonets masse fra standardmodellens spådom.
Det er første gang teorien har blitt motsagt av et forsøk. Men overraskende nok er mange fysikere begeistret.
I årevis har de nemlig vært på jakt etter en bedre teori, som kan forklare både tyngdekraften og den mystiske mørke materien.
Tyngdekraft mangler en partikkel
Siden 1930-årene har tusenvis av forsøk vist at alt i universet består av noen få byggesteiner som kalles elementærpartikler, og styres av fire fundamentale naturkrefter.
Den beste beskrivelsen av hvordan byggesteiner og naturkrefter jobber sammen, gis av standardmodellen, som ble utviklet på 1970-tallet og siden har blitt bekreftet og forbedret ved hjelp av utallige forsøk .
Ifølge standardmodellen formidles naturkreftene av såkalte kraftpartikler, men den beskriver bare kraftpartiklene bak tre av naturkreftene: den elektromagnetiske kraften, den sterke kjernekraften og den svake kjernekraften.
Tyngdekraften mangler fortsatt en kraftpartikkel.
Standardmodellen beskriver de minste delene
Standardmodellen er fysikernes grunnbok. Ifølge teorien består all materie av seks ulike kvarker, tre typer elektroner og tre typer nøytrinoer. De kalles materiepartikler. Tre naturkrefter – den elektromagnetiske kraften og den sterke og den svake kjernekraften – virker mellom disse ved hjelp av kraftpartikler. Alle partiklene får masse ved å koble seg til higgsbosonet.
Allerede på begynnelsen av 1900-tallet oppdaget Albert Einstein og Max Planck at lyspartikkelen formidler den elektromagnetiske kraften.
Begeistringen var derfor stor da fysikere på det europeiske atomforskningsinstituttet CERN i 1983 beviste at en annen naturkraft, den svake kjernekraften, også formidles av partikler:
W-bosonet, sammen med tvillingen Z-partikkelen, framkaller radioaktive nedbrytinger i atomkjernen.
Dermed ble det klart at to av de fire naturkreftene ble formidlet via kraftpartikler.
Senere har forskere dokumentert at den sterke kjernekraften som holder sammen atomkjernen, også fungerer ved hjelp av kraftpartikler.
I 2012 ble standardmodellen fullført da fysikere ved CERN oppdaget det teoretisk forutsagte higgsbosonet, som gir alle atombyggesteinene og kraftpartiklene masse.
Partikler formidler naturkreftene
Lyspartikler driver elektromagnetismen
Elektromagnetisme, for eksempel lys, sprer seg fra atom til atom ved hjelp av lyspartikler. Når et atom treffes av en lyspartikkel, havner et elektron i en høyere energitilstand. Når elektronet faller tilbake, sendes det ut en ny lyspartikkel.
Gluoner limer atomkjernerne
Atomkjernens nøytroner (t.v.) og protoner består av kvarker. Den sterke kjernekraften binder dem sammen ved hjelp av kraftpartikler, gluoner (gult). Kraften er ekstremt sterk, og kjernekraft fungerer ved å spalte atomkjernen og frigjøre energien.
W og Z utløser den svake kjernekraften
Radioaktive stoffer er ustabile fordi de har for mange nøytroner i atomkjernen i forhold til antallet protoner. For å gjenskape stabiliteten gjør de om et nøytron til et proton ved hjelp av W- og Z-partikler og sender ut et elektron.
Men nå truer de nye målingene av W-bosonets masse med å velte hele modellen.
W-bosonet er 0,09 prosent for tung
I april 2022 offentliggjorde fysikere en veiing av fire millioner W-bosoner, utført ved den nå nedlagte Tevatron-akseleratoren i USA.
Resultatet er den hittil mest presise målingen av W-bosonets masse, som forskerne tallfester til 80,433 35 milliarder elektronvolt (GeV), noe som svarer til massen av 85 protoner.
Selv om det bare er 0,09 prosent mer enn standardmodellens spådom, er det snakk om et enormt avvik. Standardmodellens usikkerhetsintervall er nemlig bare på 0,01 prosent.
Kollisjoner mellom protoner og antiprotoner i Tevatron-akseleratoren produserte 4 millioner W-partikler som fysikere har brukt til å måle kraftpartikkelens masse.
Det er bare to mulige forklaringer på det avvikende resultatet. Enten inneholder målingene en systematisk feil som ingen har oppdaget enda, eller så har universet ukjente partikler eller naturkrefter som påvirker W-bosonets masse og gjør det tyngre enn antatt.
Partiklene har en skjult tvilling
Alle atombyggesteiner og kraftpartikler får masse ved å koble seg til det såkalte higgsbosonet. W-bosonet binder seg sterkt til higgsbosonet og blir tungt, mens for eksempel elektroner kobler seg svakere og derfor er lettere.
Standardmodellen opererer bare med ett higgsboson, men det finnes faktisk en teori som forutsier flere higgsbosoner, nemlig teorien om supersymmetri.
Hvis ukjente higgsbosoner kobler seg til W-bosonet, kan det forklare at det er tyngre enn standardmodellen forutsier.
Kanskje har W-bosonet en hemmelig tvilling som kan forklare universets mystiske mørke materie.
Ifølge teorien har alle partikler en uoppdaget og tyngre tvillingpartikkel. Materiepartiklene har en kraftpartikkel som tvilling, mens kraftpartikler som W-bosonet har en materiepartikkel.
Teorien om supersymmetri inneholder to revolusjonerende muligheter.
For det første kan den, i motsetning til standardmodellen, beskrive tyngdekraften kvantemekanisk, altså ved hjelp av kraftpartikler. Ifølge teorien formidles tyngdekraften via hypotetiske partikler som kalles gravitoner.
For det andre kan det være de uoppdagede tunge tvillingene som utgjør universets mystiske mørke materie. Det ville løse en av fysikkens største gåter, for mørk materie er bare et annet ord for at fysikerne ikke kan gjøre rede for 85 prosent av massen i galaksene.
Hvis W-bosonets overvekt skyldes supersymmetri, vil det nye måleresultatet faktisk gjøre det mulig å forutsi de tunge tvillingpartiklenes masser veldig presist.
Dermed kan teorien testes eksperimentelt. Å finne ukjente partikler i en partikkelakselerator er som å lete etter nåla i høystakken, men når fysikerne vet hvilken masse de skal lete etter, blir det mye lettere.
I første omgang gjelder det imidlertid å verifisere W-bosonets overvekt. Allerede til neste år har partikkelakseleratoren LHC klart et rekordstort datasett med målinger av W-bosonets masse, og hvis det bekrefter overvekten, kan vi håpe på en ny fysikk.