Shutterstock & BiM

Överviktig partikel trotsar fysikens lagar

W-partikeln har vägts och funnits för tung. Förstå varför partikeln som är i spel vid radioaktivitet hotar att kullkasta den kända fysiken – och hur partikelns viktproblem skulle kunna kasta ljus över den mörka materien.

Allt känt i universum – från avlägset belägna galaxer till aminosyrorna i din kropp – beskrivs av standardmodellen, fysikens bibel. Den förklarar vilka partiklar atomerna består av och vilka krafter som styr dem.

Standardmodellen är världens mest framgångsrika vetenskapliga teori. Den har bland annat gjort det möjligt att utveckla modern elektronik. Teorin har dock flera stora brister. Den förklarar exempelvis inte gravitationen.

Därför arbetar fysikerna ständigt med att förbättra standardmodellen. För tio år sedan inleddes ett stort projekt för att väga W-partikeln, en kraftpartikel som är i spel vid radioaktivitet. När resultatet offentliggjordes år 2022 fick det fysikerna att höja på ögonbrynen.

Tvärtemot alla förväntningar visade de mycket noggranna mätningarna att W-partikeln är rätt mycket tyngre än vad standardmodellen förutsäger.

0,09 procent avviker den nya mätningen av W-partikelns massa från standardmodellens förutsägelse.

Det är första gången någonsin som den illustra teorin vederläggs av ett försök. Förvånansvärt nog har det emellertid gjort många fysiker entusiastiska.

I många år har de nämligen varit på jakt efter en bättre teori, som förklarar både gravitationen och den mystiska mörka materien.

Gravitationen saknar en partikel

Sedan 1930-talet har tusentals försök visat att allt i universum består av ett fåtal byggstenar, så kallade elementarpartiklar, som lyder under fyra fundamentala naturkrafter.

Den bästa beskrivningen av hur byggstenarna och naturkrafterna samverkar är standardmodellen, som utvecklades på 1970-talet och som sedan dess har bekräftats och utökats av ett stort antal försök.

Enligt standardmodellen överförs naturkrafterna till atomerna av så kallade kraftpartiklar, men den beskriver bara kraftpartiklarna bakom tre av naturkrafterna: elektromagnetisk kraft, stark växelverkan och svag växelverkan.

Gravitationen saknar fortfarande en kraftpartikel.

©

Standardmodellen beskriver de minsta beståndsdelarna

Redan i början av 1900-talet upptäckte Albert Einstein och Max Planck att ljuspartikeln överför elektromagnetisk kraft.

Entusiasmen var därför stor när fysiker vid Cern, den europeiska forskningsorganisationen för partikelfysik, år 1983 visade att även en annan naturkraft, svag växelverkan, överförs av partiklar: W-partikeln och dess tvilling Z-partikeln, som ligger bakom radioaktivt sönderfall i atomkärnan.

Därmed stod det klart att två av de fyra naturkrafterna överfördes via så kallade kvantpartiklar.

Sedan dess har forskare dokumenterat att även den starka växelverkan, som håller ihop atomkärnan, fungerar med hjälp av kraftpartiklar.

År 2012 fulländades standardmodellen när en grupp fysiker vid Cern upptäckte den teoretiskt förutsagda Higgspartikeln, som ger alla de atomära byggstenarna och kraftpartiklarna sin massa.

Partiklar överför naturkrafterna

Via partiklar styrs atomerna av tre naturkrafter. Standardmodellen beskriver elektromagnetisk kraft, som vi bland annat erfar som ljus, stark växelverkan, som håller ihop atomkärnorna, och svag växelverkan, som ligger bakom radioaktivitet.

© Shutterstock & BiM

Ljuspartiklar driver elektromagnetismen

Elektromagnetism, till exempel ljus, sprids med ljuspartiklar från atom till atom. När en atom träffas av en ljuspartikel för den upp en elektron i ett högre energitillstånd. När elektronen sedan faller tillbaka igen avges en ny ljuspartikel.

© Shutterstock & BiM

Gluoner limmar ihop atomkärnorna

Atomkärnans neutroner (till vänster) och protoner består av kvarkar. Den starka kärnkraften håller ihop dem med hjälp av kraftpartiklar, gluoner (gula). Denna kraft är extremt stark; kärnkraft fungerar genom att man klyver atomkärnor och friger energin.

© Shutterstock & BiM

W och Z ligger bakom svag växelverkan

Radioaktiva ämnen är instabila för att de har för många neutroner i atomkärnan i förhållande till antalet protoner. För att återfå stabiliteten omvandlas en neutron till en proton med hjälp av W- och Z-partiklar och avger då en elektron.

Nu hotar emellertid de nya mätningarna av W-partikelns massa att kullkasta hela modellen.

W-partikeln är 0,09 procent för tung

I april 2022 offentliggjorde fysikerna vid den nu nedlagda Tevatronacceleratorn i USA sina resultat av vägningar av fyra miljoner W-partiklar.

Resultatet är den hittills mest exakta mätningen av W-partikelns massa, som forskarna anger till 80,43335 miljarder elektronvolt (GeV), motsvarande 85 protoners massa.

Trots att det bara är 0,09 procent mer än vad standardmodellen förutsäger rör det sig om en stor avvikelse. Standardmodellens osäkerhetsmarginal är nämligen bara 0,01 procent.

Kollisioner mellan protoner och antiprotoner i Tevatronacceleratorn gav upphov till fyra miljoner W-partiklar, som fysikerna har använt för att mäta kraftpartikelns massa.

© Fermilab Handout/EPA/Ritzau Scanpix

Det finns bara två möjliga förklaringar till avvikelsen. Antingen är det något systematiskt fel med mätningarna som ingen ännu har upptäckt eller så finns det okända partiklar eller naturkrafter i universum som påverkar W-partikelns massa och gör den tyngre än förväntat.

Partiklarna har en dold tvilling

Alla atomära byggstenar och kraftpartiklar får sin massa genom att koppla sig till den så kallade Higgspartikeln. W-partiklar binder starkt till Higgspartikeln och blir tunga, medan exempelvis elektroner binder svagare och därför är lättare.

Standardmodellen opererar bara med en Higgspartikel, men det finns faktiskt en teori som förutsäger flera Higgspartiklar, teorin om supersymmetri.

Ifall okända Higgspartiklar binder till W-partikeln kan det förklara att den är tyngre än vad standardmodellen förutsäger.

Kanske har W-partikeln en hemlig tvilling som kan förklara universums mystiska mörka materia.

Enligt teorin har alla partiklar en oupptäckt, tyngre tvillingpartikel. Materiepartiklarna har en kraftpartikel som tvilling, medan kraftpartiklar som W-partikeln har en materiepartikel som tvilling.

Teorin om supersymmetri ger två revolutionerande perspektiv.

För det första kan den till skillnad från standardmodellen beskriva gravitationen kvantmekaniskt, det vill säga med hjälp av kraftpartiklar. Enligt teorin förmedlas gravitationen via hypotetiska partiklar, så kallade gravitoner.

För det andra kan det vara de oupptäckta tunga tvillingarna som utgör universums mystiska mörka materia. Det skulle i så fall lösa en av fysikens största gåtor. Mörk materia är nämligen bara ett annat ord för att fysikerna inte kan redogöra för 85 procent av massan i galaxerna.

Om W-partikelns övervikt kan förklaras med supersymmetri skulle det nya mätresultatet göra det möjligt att förutsäga de tunga tvillingpartiklarnas massa med mycket hög precision.

Därmed kan teorin testas experimentellt. Att hitta okända partiklar i en partikelaccelerator är som att leta efter en nål i en höstack, men när fysikerna vet vilken massa de ska leta efter blir det betydligt enklare.

Först måste emellertid W-partikelns övervikt verifieras. Redan nästa år blir partikelacceleratorn LHC klar med en rekordstor uppsättning data från mätningar av W-partikelns massa och om den bekräftar övervikten har man banat väg för en ny fysik.