To partikler kolliderer

Overvægtig partikel udfordrer fysikken

En elementarpartikel kaldet W har vist sig at være tungere, end den burde være. Nu kan fysikerne ikke få deres bedste model for Universets stof til at passe. Hvis målingerne holder vand, kan der være en hidtil ukendt partikel på spil – en partikel, der måske kan forklare mørkt stof.

En elementarpartikel kaldet W har vist sig at være tungere, end den burde være. Nu kan fysikerne ikke få deres bedste model for Universets stof til at passe. Hvis målingerne holder vand, kan der være en hidtil ukendt partikel på spil – en partikel, der måske kan forklare mørkt stof.

Shutterstock

Fysikerne har ganske godt tjek på, hvad alting består af. De har målt og vejet alle de fundamentale elementarpartikler, som alt stof er sat sammen af, og de har en god forståelse af de naturkræfter, som stoffets partikler kan påvirke hinanden igennem.

Men nu har resultatet af et meget vanskeligt, grundigt og langvarigt eksperiment vist, at der alligevel er grænser for, hvor godt forskerne forstår verden omkring os. En elementarpartikel kaldet W-partiklen eller W-bosonen er nemlig tungere, end den burde være ifølge teorien, der kaldes standardmodellen.

W-partiklen formidler den svage kernekraft og er for eksempel indblandet i visse former for radioaktivt henfald, og ved hjælp af standardmodellen kan fysikerne regne ud, hvad dens masse skal være. Men ifølge de nye resultater, der er publiceret i det anerkendte, videnskabelig tidsskrift Science, er massen 0,1 procent større end beregnet.

Resultatet var 20 år undervejs

CDF-detector

Fysikerne har brugt Fermilabs Tevatron-accelerator til at producere fire millioner W-partikler i den store CDF-detektor.

© Fermilab

W-partiklen er ganske tung af en elementarpartikel at være, den vejer omtrent det samme som fem iltatomer. Men den er ustabil og henfalder ekstremt hurtigt til andre partikler, og derfor er den uhyre svær at veje. Der skal en stor accelerator til overhovedet at frembringe partiklen, og så skal en meget følsom detektor måle, at den har været der.

Eksperimentet blev foretaget ved hjælp af den enorme partikelaccelerator Tevatron på det amerikanske forskningscenter Fermilab imellem 2002 og 2011, og så har det taget knap 400 fysikere mere end 10 år at analysere de mange data, der blev indsamlet af detektoren CDF (Collider Detector at Fermilab).

Fysikere foretager netop eksperimenter for at teste, om deres teorier nu også er helt rigtige. Hvis resultatet af eksperimentet ikke passer med de teoretiske forudsigelser, er der noget galt – enten med teorien eller med eksperimentet.

Og her peger resultatet altså på, at fysikernes bedste teori simpelthen ikke er god nok. Det svarer til, at fysikerne har forsøgt at samle det puslespil, der viser naturens elementære partikler, og netop som sidste brik skal lægges, viser det sig, at den er for stor.

Graf-w-bosonen

Målingerne viser, at W-partiklens masse er noget højere, end den burde være ifølge teorien. Hvis fysikernes model var rigtig, ville målingerne ligge på den lilla linje, men de ligger i stedet i den røde cirkel.

Ny partikel kan forklare mørkt stof

Der er noget, der ikke passer, så puslespillet skal samles på en ny måde – måske ved hjælp af en ny, hidtil ukendt brik i form af en ny partikel eller naturkraft.

Forskerne håber, at opdagelsen kan føre dem på sporet af ny fysik, som ikke bare kan forklare W-partiklens overvægt, men også kan fortælle, hvad mørkt stof består af. Astronomer har fundet ud af, at det meste af stoffet i Universet er usynligt, og måske består dette mystiske, mørke stof af samme partikel, som på en eller anden måde giver W-partiklen ekstra masse.

Men det er også muligt, at fysikerne simpelthen har lavet en fejl, da de beregnede massen af W-partiklen ud fra de eksperimentelle data. Måske vejer den slet ikke for meget.

Det er vigtigt, at resultatet bliver bekræftet af andre forskere, og der er da også allerede planer om at gentage eksperimentet med nyt og endnu mere præcist udstyr – specielt vil en fremtidig europæiske accelerator kaldet Future Circular Collider være velegnet, når W-partiklen skal vejes igen.