Fysikerna har mycket bra koll på vad allting består av. De har mätt och vägt alla grundläggande elementarpartiklar som all materia är sammansatt av, och de har en god uppfattning av de naturkrafter, genom vilka materians partiklar kan påverka varandra.
Men nu har resultatet av ett mycket svårt, grundligt och långvarigt experiment visar att det ändå finns gränser för hur väl forskarna förstår världen omkring oss. En elementarpartikel kallad W-partikeln eller W-bosonen är nämligen tyngre än den borde vara enligt teorin, som kallas standardmodellen.
W-partikeln förmedlar den svaga kärnkraften och är exempelvis inblandad i vissa former av radioaktivt sönderfall och med hjälp av standardmodellen kan fysikerna räkna ut vad dess massa bör vara. Men enligt de nya resultaten, som har publicerats i den renommerade vetenskapliga tidskriften Science, är massan 0,1 procent större än beräknat.
Det tog 20 år att få fram resultatet
Fysikerna har använt Fermilabs Tevatron-accelerator till att framställa fyra miljoner W-partiklar i den stora CDF-detektorn.
W-partikeln är mycket tung för att vara en elementarpartikel, den väger ungefär lika mycket som fem syreatomer. Men den är instabil och sönderfaller extremt snabbt, vilket gör att den är mycket svår att väga. Det krävs en stor accelerator för att överhuvudtaget skapa partikeln och sedan ska det till en extremt känslig detektor för att mäta att den har funnits där.
Experimentet genomfördes med hjälp av den enorma partikelacceleratorn Tevatron på det amerikanska forskningscentret Fermilab mellan 2002 och 2011, och sedan har det tagit knappt 400 fysiker mer än tio år att analysera alla data som samlades in av detektorn CDF (Collider Detector at Fermilab).
Fysiker genomför experiment nu för att testa om deras teorier verkligen stämmer. Om resultatet av experimentet inte går ihop med de teoretiska förutsägelserna har något gått fel – antingen med teorin eller med experimentet.
I så fall visar resultatet att fysikernas bästa teori helt enkelt inte är tillräckligt bra. Det skulle motsvara att fysikerna försökte lägga det pussel som visar naturens elementära partiklar och precis när de ska lägga den sista pusselbiten, visar det sig att den är för stor.
Mätningarna visar att W-partikelns massa är en aning högre än den borde vara enligt teorin. Om fysikernas modell stämde, skulle mätningarna ligga på den lila linjen, men de har i stället hamnat i den röda cirkeln.
Ny partikel kan förklara mörk materia
Det är något som inte stämmer och därför måste pusslet läggas på ett nytt sätt – kanske med hjälp av en ny, hittills okänd pusselbit i form av en ny partikel eller naturkraft.
Forskarna hoppas att upptäckten kan leda in dem på spåret till en ny fysik, som inte bara kan förklara W-partikeln övervikt, utan även tala om vad mörk materia består av. Astronomer har kommit fram till att majoriteten av all materia i universum är osynlig, och kanske består denna mystiska, mörka materia av samma partikel som på ett eller annat sätt ger W-partikeln överskjutande massa.
Men det är också möjligt att fysikerna helt enkelt har begått ett misstag när de beräknade massan av W-partikeln utifrån de experimentella data. Kanske väger den inte alls för mycket.
Det är viktigt att resultatet bekräftas av andra forskare och det finns redan planer på att upprepa experimentet med ny och mer exakt utrustning – en framtida europeisk accelerator kallad Future Circular Collider kommer att vara synnerligen välkommen när W-partikeln ska vägas igen.