Mystiska krafter är i spel 100 meter ner i marken i Schweiz. Forskarna vid den europeiska forskningsorganisationen Cern får helt enkelt inte resultaten att stämma med våra grundläggande fysiska teorier.
I sin 27 kilometer långa accelerator LHC har forskarna i 14 år fått partiklar att kollidera och studerat de energirika produkter som uppstår till följd av kollisionerna. Försöken har bekräftat allt vi vet om vad universum är uppbyggt av och vilka naturkrafter som styr det. De senaste fem åren har dock resultaten i en av detektorerna, LHCb, fått fysikerna att lägga pannan i djupa veck.
Detektorn utför mätningar på en viss exotisk partikel, som inte beter sig som den borde när den sönderfaller till mindre energirika partiklar. Det måste därför finnas okända krafter som påverkar processen, kanske en ny naturkraft som vi kan lägga till de fyra vi redan känner till.
En ny naturkraft vore inte bara århundradets upptäckt. Den skulle också ge oss nya möjligheter att utforska universums djupaste mysterier. Kanske kommer den att visa varför det finns materia i universum, vad det är som håller ihop galaxerna och blottlägga dolda dimensioner i rymden.
Mätningar från LHCb-detektorn i Cern i Schweiz indikerar att okända krafter påverkar vissa partiklars sönderfall.
Tusen fysiker följer utvecklingen
Kollisionerna i LHCb-detektorn följs noga av forskare över hela världen. Omkring tusen fysiker sitter vid var sin dator och analyserar de stora datamängderna från experimenten, väl medvetna om att de eventuellt håller på att skriva vetenskapshistoria.
”Betydelsen kan vara enorm. Detta kan vara det första steget mot upptäckten av en ny kraft!” Doktor Philip Ilten, forskare vid amerikanska University of Cincinnati och en av LHCb-experimentets deltagare
Om det visar sig att en okänd naturkraft är i spel kommer det att utmana fysikernas så kallade standardmodell, som inbegriper allt vi vet om materien och krafterna i universum.
I dag innehåller modellen fyra naturkrafter: gravitation, elektromagnetisk växelverkan samt svag och stark växelverkan.
Fyra krafter förklarar det mesta
De fyra kända naturkrafterna förklarar i princip alla fenomen vi ser omkring oss. Krafterna verkar genom kraftbärande partiklar, vissa över stora avstånd i universum, andra över korta avstånd, inne i atomerna.
1. Elektromagnetisk växelverkan skapar ljus
Elektromagnetisk växelverkan ligger inte bara bakom magnetism och elektricitet, utan även alla fenomen som har med ljus och övrig elektromagnetisk strålning att göra. Kraften bärs av fotoner.
2. Gravitationen styr universum
Det är gravitationen som håller fast jorden i sin bana runt solen. Den påverkar också alla stjärnornas och galaxernas rörelser i rymden. Gravitationen är den svagaste av de fyra kända naturkrafterna och vi känner inte till dess kraftpartikel.
3. Svag växelverkan styr sönderfall
Atomkärnorna i radioaktiva ämnen sönderfaller över tid till lägre energinivåer. Under denna process avges radioaktiv strålning. Sönderfallet styrs av den svaga växelverkan, som bärs av två partiklar som benämns W och Z.
4. Den starka växelverkan är atomernas lim
Atomkärnornas protoner och neutroner är uppbyggda av så kallade kvarkar. Det är den starka växelverkan som binder kvarkarna till varandra. De bärande partiklarna bakom naturkraften kallas gluoner.
De fyra naturkrafterna skiljer sig mycket åt, i både räckvidd och styrka. Gravitation är den naturkraft som de flesta av oss är mest bekanta med i vardagen, men den är väldigt mycket svagare än de övriga krafterna.
Jämfört med den näst svagaste kraften, svag växelverkan, är gravitationen omkring en kvintiljon (en etta följd av 30 nollor) gånger svagare. Det innebär att medan de tre övriga krafterna har stort inflytande på hur partiklarna inne i atomerna påverkar varandra, är gravitationens inverkan så liten att den inte går att mäta.
Gravitationen verkar dock över mycket stora avstånd. Medan kärnkrafterna enbart verkar på atomär nivå är gravitationens och den elektromagnetiska växelverkans räckvidd i princip oändlig.
Om det finns en femte okänd naturkraft vet vi inte hur lång räckvidd den har, men försöken med LHCb tyder på att den åtminstone påverkar atomkärnornas partiklar.
Instabila partiklar bryter mot lagen
Standardmodellen delar in alla partiklar i två olika typer: kraftpartiklar, som bär naturkrafterna, och materiepartiklar, som utgör all materia i universum. Till de senare hör bland annat elektroner och kvarkar, atomkärnornas byggstenar. Kvarkar finns i flera varianter. Protoner och neutroner består av de lättaste typerna, så kallade upp- och nedkvarkar.
Standardmodellen innehåller även fyra tyngre kvarkar med beteckningarna ”sär”, ”charm”, ”botten” och ”topp”. Liksom upp- och nedkvarkarna kan de gå ihop och bilda större partiklar, så kallade hadroner.
När det sker är de emellertid mycket instabila. En hadron som exempelvis innehåller en bottenkvark sönderfaller därför snabbt till en lättare typ av hadron. I processen förvandlas bottenkvarken till den lättare särkvarken och när det sker avges samtidigt en elektron, en så kallad myon, elektronens tyngre kusin.
Det är just dessa biprodukter av sönderfallet som LHCb mäter.
Den 21 meter långa och 5 600 ton tunga LHCb-detektor registrerar de elektroner och myoner (röda streck) som uppstår när exotiska partiklar sönderfaller.
Enligt standardmodellen ska det råda så kallad universalitet mellan de två typerna av sönderfall. Det innebär att sannolikheten för att det avges en elektron är exakt lika stor som sannolikheten att det avges en myon.
Därför borde detektorn registrera lika många elektroner som myoner från sönderfallet. Så är dock inte fallet. Efter drygt fem år av experiment, under vilka fysikerna har mätt hundratals miljarder sönderfall, råder det fortfarande obalans.
Av 100 uppmätta sönderfall resulterar 54 i en elektron som biprodukt, medan endast 46 resulterar i en myon. Det är ett hårt slag för standardmodellen, som i tusentals andra experiment har testats till exempellös precision. Om standardmodellens universalitet inte håller måste det finnas nya bakomliggande fysikaliska fenomen.
LHCb-detektorn mäter sönderfallet av partiklar som innehåller så kallade bottenkvarkar (gröna). Sönderfallet borde resultera i lika många elektroner (blå) och myoner (röda), men så är inte fallet. Obalansen kan bero på en okänd naturkraft.
Fysikerna måste vara helt säkra
När fysikerna utmanar en välbeprövad teori som standardmodellen måste de så klart vara helt säkra på sin sak. De stora datamängderna till trots kan det faktiskt röra sig om en statistisk tillfällighet.
Därför är forskarna vid LHCb oerhört försiktiga och ägnar mycket tid åt att beräkna hur stor sannolikheten är att resultaten inte bara beror på slumpen.
I det här sammanhanget använder de en särskild skala där sannolikheten för slumpmässiga avvikelser beskrivs med den grekiska bokstaven sigma. Ett sigma innebär att det är cirka 16 procents sannolikhet för att observationerna beror på tillfälligheter.
Fysikerna kräver fem sigma innan de vågar konstatera att det rör sig om en ny upptäckt. Det innebär att sannolikheten för slumpen måste ner i en på 3,5 miljoner.
Resultaten är 99,9 procent säkra, men det duger inte!
Med de senaste resultaten från LHCb har fysikerna nått upp till drygt tre sigma, vilket motsvarar en sannolikhet av 0,1 procent för att den uppmätta obalansen mellan elektroner och myoner beror på slumpen. Resultatet är med andra ord 99,9 procent tillförlitligt.
Om mätningarna under kommande år fortsätter att uppvisa samma obalans och forskarna når sitt mål på fem sigma, kommer teoretiska fysiker att stå i kö med olika bud på en förklaring.
De flesta teorierna föreslår en ny typ av naturkraft i stil med de fyra kända. Om den ska följa logiken från standardmodellen verkar den genom en kraftbärande partikel på samma sätt som de övriga krafterna bärs av fotoner, gluoner eller W- och Z-partiklar.
Förhoppningen är att den nya naturkraften ska leda fysikerna till lösningar på universums största mysterier.
En ny kraft ska lösa de stora gåtorna
Om fysikerna hittar en ny naturkraft kommer de omedelbart att använda den för att leta efter svar på grundläggande frågor som våra nuvarande fysiska teorier inte har kunnat bistå med.
1. Varför finns det någonting i stället för ingenting?
Vid stora smällen skapades enligt teorin lika mycket materia som antimateria. De två typerna av materia borde då ha utplånat varandra redan under den första sekunden. En ny naturkraft kan möjligen förklara hur det kommer sig att det blev materia över.
2. Var finns den mörka materien?
Gravitationen från galaxernas synliga materia är inte tillräckligt stark för att hålla ihop dem. Det måste finnas något annat, så kallad mörk materia, som verkar mellan stjärnorna. En ny naturkraft kan möjligen visa oss vägen till den.
3. Existerar dolda dimensioner?
Vissa fysiker tror att universum utgörs av fler dimensioner än dem vi känner till, som rummet och tiden. Den nya naturkraften och dess kraftbärande partiklar kan eventuellt ge oss tillgång till sådana dolda dimensioner.
Om den kraftbärande partikeln bakom den nya naturkraften har en massa som W- och Z-partiklarna skulle den kunna lösa ett av astrofysikens största problem: universums så kallade mörka materia.
Den synliga materien utgör bara en femtedel av massan i universum. Resten består av materia som vi inte kan se. Den enda anledningen till att vi vet att den finns där är att vi kan observera effekterna av dess gravitation.
En ny naturkraft kan fungera som en mellanhand mellan partiklarna i den mörka materien och de partiklar som vi känner till från standardmodellen. Det innebär att fysikerna kanske kommer att kunna framställa mörk materia i laboratoriet med hjälp av den nya naturkraften.
En annan högintressant sak med det här är att den okända kraften kanske kommer att kunna öppna dörrarna till de osynliga dimensioner som enligt vissa fysiker finns i universum. Då kan vi eventuellt få svar på hur det kommer sig att gravitationen är så svag. Försvinner den kanske helt enkelt ut i de okända dimensionerna?
Japan och USA tar över
Forskarna vid LHCb befinner sig i dag i frontlinjen i sökandet efter den okända naturkraften. De riskerar dock att bli omsprungna under de närmaste åren, eftersom Cerns accelerator behöver uppgraderas och därmed kommer att stå oanvänd ett tag.
I experimentet Belle II i Japan har fysiker också börjat mäta hadroners sönderfall med bottenkvarkar. De är så klart spända på att se om de kommer att registrera samma obalans som LHCb-forskarna har funnit.
I acceleratorn hos Fermilab i USA har fysikerna också fått vittring på en okänd naturkraft, men på ett annat sätt.
I det amerikanska experimentet studeras myoner, som fungerar som små magnetiska snurror. När myonerna utsätts för ett magnetfält förändras rotationsaxeln, men förändringen har visat sig vara 0,1 procent större än vad teorin förutsäger. Enligt forskarna kan avvikelsen bero på den okända naturkraften.
Fysiker vid Fermilab i USA studerar hur myoner beter sig när de utsätts för ett magnetfält. Resultaten får dem att misstänka att de påverkas av en okänd kraft.
Vilken grupp av fysiker som först når målet fem sigma lär visa sig under det kommande årtiondet. År 2028 är uppgraderingarna på Cern klara och då kan de europeiska forskarna spurta förbi.
Vid det laget kommer de nämligen att kunna samla in resultat minst tio gånger snabbare än tidigare. Då kommer de att sitta med det bästa verktyget i sökandet efter det slutliga beviset för den okända naturkraften.