Alt kendt materiale i universet – fra fjerne galakser til aminosyrerne i din krop – bliver beskrevet af den såkaldte standardmodel. Fysikkens bibel forklarer, hvilke partikler atomerne består af, og hvilke kræfter der styrer dem.
Standardmodellen er verdens mest succesrige videnskabelige teori og har bl.a. gjort det muligt at udvikle al vores moderne elektronik. Men teorien har flere alvorlige mangler – bl.a. giver den ingen forklaring på tyngdekraften.
Derfor arbejder fysikerne konstant på at forbedre den, og for ti år siden startede et stort projekt med at veje W-partiklen, en kraftpartikel, der er på spil ved radioaktivitet. Da resultatet blev offentliggjort i 2022, spærrede fysikerne øjnene op.
Stik imod al forventning viste de meget nøjagtige målinger, at W-partiklen er en hel del tungere, end standardmodellen forudsiger.
0,09 pct. afviger den nye måling af W-partiklens masse fra standardmodellens forudsigelse.
Det er første gang nogensinde, at den hæderkronede teori er blevet modsagt af et forsøg. Men overraskende nok er mange fysikere begejstrede.
I årevis har de nemlig været på jagt efter en bedre teori, der kan forklare både tyngdekraften og det mystiske mørke stof.
Tyngdekraft mangler en partikel
Siden 1930’erne har tusindvis af forsøg afsløret, at alt i universet består af nogle få byggesten, der kaldes elementarpartikler, og styres af fire fundamentale naturkræfter.
Den bedste beskrivelse af, hvordan byggesten og naturkræfter arbejder sammen, gives af standardmodellen, der blev udviklet i 1970’erne og siden er blevet bekræftet og udbygget af forsøg efter forsøg.
Ifølge standardmodellen overføres naturkræfterne til atomerne af såkaldte kraftpartikler, men den beskriver kun kraftpartiklerne bag tre af naturkræfterne: den elektromagnetiske kraft, den stærke kernekraft og den svage kernekraft.
Tyngdekraften mangler stadig en kraftpartikel.
Standardmodellen beskriver de mindste dele
Standardmodellen er fysikernes grundbog. Ifølge teorien består alt stof af seks forskellige kvarker, tre typer elektroner og tre slags neutrinoer. De kaldes stofpartikler. Tre naturkræfter – den elektromagnetiske kraft og den stærke og den svage kernekraft – virker mellem stofpartiklerne vha. kraftpartikler. Alle partiklerne får deres masse ved at koble sig til higgspartiklen.
Helt tilbage i begyndelsen af 1900-tallet opdagede Albert Einstein og Max Planck, at lyspartiklen overfører den elektromagnetiske kraft.
Begejstringen var derfor stor, da fysikere på det europæiske atomforskningsinstitut CERN i 1983 beviste, at en anden naturkraft, den svage kernekraft, også overføres af partikler:
W-partiklen og dens tvilling, Z-partiklen, der fremkalder radioaktive henfald i atomkernen.
Dermed stod det klart, at to af de fire naturkræfter blev overført via kraftpartikler, som fysikerne også kalder kvanter.
Siden har forskere dokumenteret, at den stærke kernekraft, som holder sammen på atomkernen, også fungerer ved hjælp af kraftpartikler.
I 2012 blev standardmodellen fuldendt, da fysikere på CERN opdagede den teoretisk forudsagte higgspartikel, som giver alle de atomare byggesten og kraftpartikler deres masse.
Partikler overfører naturkræfterne
Lyspartikler driver elektromagnetismen
Elektromagnetisme, fx lys, udbreder sig fra atom til atom vha. lyspartikler. Når et atom rammes af en lyspartikel, banker det en elektron op i en højere energitilstand. Når elektronen falder tilbage, udsendes der en ny lyspartikel.
Gluoner limer atomkernerne
Atomkernens neutroner (tv.) og protoner består af kvarker. Den stærke kernekraft binder dem sammen vha. kraftpartikler, gluoner (gule). Kraften er ekstremt stærk, og atomkraft fungerer ved at spalte atomkernen og frigive energien.
W og Z udløser den svage kernekraft
Radioaktive stoffer er ustabile, fordi de har for mange neutroner i atomkernen i forhold til antallet af protoner. For at genskabe stabiliteten omdanner de en neutron til en proton vha. W- og Z-partikler og udsender en elektron.
Men nu truer de nye målinger af W-partiklens masse med at vælte hele modellen.
W-partiklen er 0,09 pct. for tung
I april 2022 offentliggjorde fysikerne fra den nu nedlagte Tevatron-accelerator i USA deres vejning af 4 mio. W-partikler.
Resultatet er den hidtil mest præcise måling af W-partiklens masse, som forskerne sætter til 80,43335 mia. elektronvolt (GeV) svarende til massen af 85 protoner.
Selvom det blot er 0,09 pct. mere end standardmodellens forudsigelse, er der tale om en enorm afvigelse. Standardmodellens usikkerhedsinterval er nemlig kun på 0,01 pct.
Kollisioner mellem protoner og antiprotoner i Tevatron-acceleratoren producerede 4 mio. W-partikler, som fysikere har brugt til at måle kraftpartiklens masse.
Der er kun to mulige forklaringer på det afvigende resultat. Enten rummer målingerne en systematisk fejl, som ingen har opdaget endnu, eller også har universet nogle ukendte partikler eller naturkræfter, som påvirker W-partiklens masse og gør den tungere end forventet.
Partiklerne har en skjult tvilling
Alle atomare byggesten og kraftpartikler får deres masse ved at koble sig til den såkaldte higgspartikel. W-partikler binder sig stærkt til higgspartiklen og bliver tunge, mens fx elektroner kobler sig svagere og derfor er lettere.
Standardmodellen opererer kun med én higgspartikel, men der findes faktisk en teori, der forudsiger flere higgspartikler, nemlig teorien om supersymmetri.
Hvis ukendte higgspartikler kobler sig til W-partiklen, kan det forklare, at den er tungere, end standardmodellen forudsiger.
Måske har W-partiklen en hemmelig tvilling, der kan forklare universets mystiske mørke stof.
Ifølge teorien har alle partikler en uopdaget og tungere tvillingepartikel. Stofpartiklerne har en kraftpartikel som tvilling, mens kraftpartikler som W-partiklen har en stofpartikel.
Teorien om supersymmetri rummer to revolutionerende perspektiver.
For det første kan den i modsætning til standardmodellen beskrive tyngdekraften kvantemekanisk, dvs. ved hjælp af kraftpartikler. Ifølge teorien formidles tyngdekraften via nogle hypotetiske partikler kaldet gravitoner.
For det andet kan det være de uopdagede tunge tvillinger, som udgør universets mystiske mørke stof. Det ville løse en af fysikkens største gåder, for mørkt stof er blot et andet ord for, at fysikerne ikke kan gøre rede for 85 pct. af massen i galakserne.
Hvis W-partiklens overvægt skyldes supersymmetri, vil det nye måleresultat faktisk gøre det muligt at forudsige de tunge tvillingepartiklers masser meget præcist.
Dermed kan teorien testes eksperimentelt. At finde ukendte partikler i en partikelaccelerator er som at lede efter en nål i en høstak, men når fysikerne ved, hvilken masse de skal lede efter, bliver det langt lettere.
I første omgang gælder det dog om at verificere W-partiklens overvægt. Allerede til næste år bliver partikelacceleratoren LHC klar med et rekordstort datasæt med målinger af W-partiklens masse, og hvis det bekræfter overvægten, er banen kridtet op til en ny fysik.