Mystiske kræfter er på spil hundrede meter under jorden i Schweiz. Forskerne ved det europæiske atomforskningsinstitut CERN kan simpelthen ikke få deres resultater til at passe med vores grundlæggende fysiske teorier.
I 14 år har forskerne smadret partikler sammen i deres 27 kilometer lange accelerator, LHC, og studeret de energirige produkter, som opstår i sammenstødene. Forsøgene har overordnet bekræftet alt det, vi ved om, hvad universet er bygget af, og hvilke naturkræfter der styrer det. Men de seneste fem år har resultaterne i en af detektorerne kaldet LHCb givet fysikerne rynker i panden.
Detektoren måler på en bestemt eksotisk partikel, og den opfører sig ikke, som den burde, når den henfalder til mindre energirige partikler. Der må derfor være nogle ukendte kræfter, som påvirker processen – måske en ny naturkraft, vi kan føje til de fire, vi kender i forvejen.
En ny naturkraft vil ikke bare være århundredets opdagelse – den vil også give nye muligheder for at udforske universets dybeste mysterier. Måske vil den vise os, hvorfor der findes stof i universet, hvad der holder sammen på galakserne, og om der findes skjulte dimensioner i rummet.
Målinger fra LHCb-detektoren ved CERN i Schweiz tyder på, at ukendte kræfter påvirker henfaldet af bestemte partikler.
Tusind fysikere kigger med
Sammenstødene i LHCb-detektoren følges nøje af forskere over hele verden. I alt sidder omkring tusind fysikere ved hver deres computerskærm og analyserer de mange data fra eksperimenterne – vel vidende, at de måske er ved at skrive ny videnskabshistorie.
“Betydningen kan være enorm – dette kan være det første skridt mod opdagelsen af en ny kraft!” Dr. Philip Ilten, forsker ved University of Cincinnati og deltager i LHCb-eksperimentet
Hvis det viser sig, at en ukendt naturkraft er på spil, vil det udfordre fysikernes såkaldte standardmodel, som omfatter alt det, vi ved om stof og kræfter i universet.
I dag indeholder modellen fire naturkræfter: tyngdekraften, den elektromagnetiske kraft, den svage kernekraft og den stærke kernekraft.
Fire kræfter forklarer det meste
De fire kendte naturkræfter kan forklare næsten alle de fænomener, vi ser omkring os. Kræfterne virker gennem kraftbærende partikler – nogle over store afstande i universet, andre på korte distancer inde i atomerne.
1. Elektromagnetisk kraft giver lys
Den elektromagnetiske kraft er ikke bare ansvarlig for magnetisme og elektricitet, men også for alle de fænomener, som har med lys og anden elektromagnetisk stråling at gøre. Kraften bæres af fotoner.
2. Tyngdekraften styrer universet
Tyngdekraften holder Jorden fast i sin bane om Solen og styrer alle stjernernes og galaksernes bevægelser i rummet. Det er den svageste af de fire kendte naturkræfter, og vi kender ikke dens kraftpartikel.
3. Svage kernekræfter kontrollerer henfald
Atomkernerne i radioaktive stoffer henfalder over tid til lavere energiniveauer. I processen udsender de radioaktiv stråling. Henfaldet styres af de svage kernekræfter, som bæres af to partikler med navnene W og Z.
4. Stærk kernekraft er atomernes lim
Atomkernernes protoner og neutroner er bygget op af såkaldte kvarker. Det er den stærke kernekraft, som binder kvarkerne sammen. De bærende partikler bag naturkraften kaldes gluoner.
De fire naturkræfter er meget forskellige, både i rækkevidde og i styrke. Selvom tyngdekraften er den naturkraft, de fleste af os kender bedst fra vores daglige liv, er den langt, langt svagere end de andre kræfter.
I forhold til den næstsvageste kraft, som er den svage kernekraft, er tyngdekraften ca. en kvintillion (et éttal efterfulgt af 30 nuller) gange svagere. Det betyder, at hvor de tre andre kræfter har stor indflydelse på, hvordan partikler inde i atomerne påvirker hinanden, er tyngdekraftens effekt så lille, at den ikke kan måles.
Til gengæld virker tyngdekraften over meget store afstande. Mens kernekræfterne kun har effekt på atomart plan, er rækkevidden for tyngdekraften og den elektromagnetiske kraft i princippet uendelig.
Hvis der findes en femte ukendt naturkraft, ved vi ikke, hvor langt den rækker, men forsøgene fra LHCb tyder på, at den i hvert fald spiller en rolle inde i atomkernernes partikler.
Ustabile partikler bryder loven
Standardmodellen deler alle partikler op i to forskellige typer: Kraftpartikler, som bærer naturkræfterne, og stofpartikler, der udgør alt universets stof. Til de sidste hører fx elektroner og de såkaldte kvarker, som er byggestenene i atomkernerne.
Kvarker findes i flere varianter. Protoner og neutroner består af de letteste typer, der kaldes op- og nedkvarker.
Standardmodellen indeholder derudover fire tungere kvarker med navnene “sær”, “charme”, “bund” og “top”. Ligesom op- og nedkvarkerne kan de gå sammen og danne større partikler, såkaldte hadroner.
Men når det sker, er de meget ustabile. En hadron, som fx indeholder en bundkvark, henfalder derfor hurtigt til en lettere slags hadron. I processen forvandles bundkvarken til den lettere særkvark, og når det sker, frigives der samtidig en elektron eller en såkaldt myon, som er elektronens tungere fætter.
Det er præcis disse biprodukter af henfaldet, som LHCb kan måle.
Den 21 meter lange og 5600 tons tunge LHCb-detektor opfanger de elektroner og myoner (røde streger), som opstår, når eksotiske partikler henfalder.
Ifølge standardmodellen skal der være såkaldt universalitet mellem de to slags henfald. Det betyder, at sandsynligheden for, at der frigives en elektron, er nøjagtig lige så stor som sandsynligheden for en myon.
Detektoren burde derfor registrere lige mange elektroner og myoner fra henfaldet, men det sker ikke. Efter mere end fem års eksperimenter, hvor fysikerne har målt på resultatet af flere hundrede milliarder henfald, bliver der ved med at være en ubalance.
Ud af 100 målte henfald resulterer 54 af dem i en elektron som biprodukt – og kun 46 i en myon. Og det er et hårdt slag for standardmodellen, som ellers er testet til uhørt præcision i tusindvis af andre eksperimenter. Hvis modellens universalitet falder, må der stå helt nye fysiske fænomener bag.
LHCb-detektoren måler henfaldet af partikler, som indeholder såkaldte bundkvarker (grøn). Henfaldet burde resultere i lige mange elektroner (blå) og myoner (røde), men sådan er det ikke. Ubalancen kan skyldes en ukendt naturkraft.
Fysikerne skal være helt sikre
Når fysikerne udfordrer en hæderkronet teori som standardmodellen, er de selvfølgelig nødt til at være helt sikre i deres sag. På trods af de mange data kunne der jo være tale om en statistisk tilfældighed.
Forskerne ved LHCb er derfor yderst forsigtige og bruger meget tid på at beregne, hvor stor chancen er for, at resultaterne ikke bare skyldes tilfældigheder.
Her bruger de en særlig skala, hvor sandsynligheden for tilfældigheder beskrives med det græske bogstav “sigma”. Én sigma betyder, at der er knap 16 procents sandsynlighed for, at observationerne skyldes tilfældigheder.
Fysikerne kræver fem sigma, før de tør konstatere, at der er tale om en ny opdagelse. Det betyder, at sandsynligheden for tilfældigheder skal helt ned på én ud af 3,5 millioner.
Resultaterne er 99,9 procent sikre – men det er stadig ikke nok!
Med de nyeste resultater fra LHCb er fysikerne nået op over tre sigma, hvilket svarer til en sandsynlighed på 0,1 procent for, at den målte ubalance mellem elektroner og myoner skyldes tilfældigheder. Resultaterne er med andre ord 99,9 procent sikre.
Hvis målingerne de kommende år fortsætter med at vise den samme ubalance, og forskerne når deres mål på de fem sigma, står teoretiske fysikere i kø med forskellige bud på en forklaring.
De fleste af teorierne foreslår en ny type naturkraft i stil med de fire kendte. Hvis den skal følge logikken fra resten af standardmodellen, vil den virke gennem en kraftbærende partikel, på samme måde som de andre kræfter bæres af fotoner, gluoner eller W- og Z-partikler.
Det store håb er, at den nye naturkraft vil lede fysikerne frem mod løsningerne på universets største mysterier.
En ny kraft skal løse de dybeste gåder
Hvis fysikerne finder en ny naturkraft, vil de straks bruge den til at gå på jagt efter svarene på helt fundamentale spørgsmål, som vores nuværende fysiske teorier har givet op overfor.
1. Hvorfor er der noget i stedet for intet?
Ved big bang blev der ifølge teorien skabt lige meget stof og antistof. De to slags stof burde have udslettet hinanden i det første sekund. En ny naturkraft kan måske forklare, hvorfor der blev noget stof tilovers.
2. Hvor gemmer det mørke stof sig?
Tyngdekraften fra det synlige stof i galakserne er ikke stærk nok til at holde sammen på dem. Der må være noget andet, såkaldt mørkt stof, som virker mellem stjernerne. En ny naturkraft kan måske vise vej til det.
3. Findes der skjulte dimensioner?
Nogle fysikere mener, at universet rummer flere dimensioner end dem, vi kender som rum og tid. Den nye naturkraft og dens kraftbærende partikler vil måske give os adgang til de skjulte dimensioner.
Hvis den kraftbærende partikel bag den nye naturkraft har en masse ligesom W- og Z-partiklerne, kan den muligvis løse et af astrofysikkens største problemer: universets såkaldte mørke stof.
Det synlige stof udgør kun en femtedel af massen i universet. Resten består af stof, vi ikke kan se. Vi ved bare, at det er der, fordi vi kan observere effekterne af tyngdekraften fra det.
En ny naturkraft vil måske kunne fungere som en mellemmand mellem partikler i det mørke stof og de partikler, vi kender fra standardmodellen. Det betyder, at fysikerne muligvis vil kunne producere mørkt stof i laboratoriet ved hjælp af den nye naturkraft.
Et andet stort perspektiv er, at den ukendte kraft måske kan åbne dørene til de usynlige dimensioner, som ifølge nogle fysikere findes i universet. Her kan vi muligvis få svar på, hvorfor tyngdekraften er så svag. Måske forsvinder den simpelthen ud i de ukendte dimensioner.
Japan og USA tager over
Forskerne ved LHCb ligger i dag i front i jagten på den ukendte naturkraft. Men de kan blive overhalet i de kommende år, mens CERN’s accelerator ligger stille, fordi den skal opgraderes.
Ved eksperimentet Belle II i Japan er fysikere også begyndt at måle på henfaldet af hadroner med bundkvarker, og her er de naturligvis spændte på, om de vil registrere den samme ubalance, som LHCb-forskerne har fundet.
I acceleratoren hos Fermilab i USA har fysikerne også fået færten af en ukendt naturkraft, men på en anden måde.
Det amerikanske eksperiment kigger på myoner, der fungerer som små magnetiske snurretoppe. Når myonerne udsættes for et magnetisk felt, ændres deres rotationsakse, men ændringen har vist sig at være 0,1 procent større, end teorien forudsiger. Ifølge forskerne kan afvigelsen skyldes den ukendte naturkraft.
Fysikere ved Fermilab i USA undersøger, hvordan myoner opfører sig, når de udsættes for et magnetfelt. Resultaterne giver mistanke om, at de påvirkes af en ukendt kraft.
Hvilket hold fysikere der først når de forjættede fem sigma, vil vise sig i det kommende årti. I 2028 er opgraderingerne ved CERN gennemført, så de europæiske forskere kan sætte en spurt ind.
Til den tid kan de samle resultater sammen mindst ti gange så hurtigt, som de har kunnet indtil nu. Dermed vil de stå med det bedste våben i jagten på det endelige bevis for den ukendte naturkraft.