Fysikere ved en korsvej i forsøget på at forstå universet

Forskere ved Rutgers University-New Brunswick og andre steder står ved en korsvej i deres 50-årige søgen efter at gå ud over standardmodellen i fysik.

Rutgers Today bad professorerne Sunil Somalwar og Scott Thomas i Department of Physics and Astronomy ved School of Arts and Sciences om at diskutere universets mysterier. Somalwars forskning fokuserer på eksperimentel elementær partikelfysik, eller højenergifysik, som involverer at smadre partikler sammen ved store partikelacceleratorer som den hos CERN i Schweiz. Thomas' forskning fokuserer på teoretisk partikelfysik.

Duoen, der samarbejder om eksperimenter, og andre Rutgers-fysikere – inklusive Yuri Gershtein – bidrog til den historiske opdagelse af Higgs-bosonen i 2012, en subatomær partikel, der er ansvarlig for strukturen af ​​alt stof og en nøglekomponent i standardmodellen.

Rutgers Today: Hvad er standardmodellen?

Thomas:Det er en teori, der startede for omkring 50 år siden. Det bør kaldes "den mest fantastisk succesrige teori om alting nogensinde", fordi det er en triumf af menneskelig intellekt. Det forklarer, i en teoretisk struktur og i store kvantitative detaljer, hvert eneste eksperiment, der nogensinde er udført i laboratoriet. Og intet eksperiment hidtil er i konflikt med denne teori. Hjørnestenen til standardmodellen var eksperimentelt opdagelsen af ​​Higgs-bosonen. Den forudsagde eksistensen og vekselvirkningen mellem mange forskellige partikler, som alle blev fundet. Problemet er, at som teoretikere, vi er ofre for vores egen succes. Standardmodellen er så vellykket, at teorien ikke peger på svar på nogle af de spørgsmål, vi stadig har. Higgs-bosonen besvarede mange spørgsmål, men vi får ikke direkte ledetråde fra denne teoretiske struktur, hvordan de resterende spørgsmål kan besvares, så vi står ved en skillevej i denne 50-årige søgen. Vi har brug for nogle tip fra eksperimenter og så forhåbentlig, hintene vil være nok til at fortælle os den næste teoretiske struktur, der ligger til grund for Standardmodellen.

Rutgers Today:Hvilke spørgsmål er der tilbage?

Somalwar:Standardmodellen siger, at stof og antistof skal være næsten lige store. Men efter Big Bang for omkring 13,8 milliarder år siden, stof udgjorde en del af 10 milliarder og antistof faldt til praktisk talt nul. Et stort mysterium er, hvad der skete med alt antistoffet. Og hvorfor er neutrinoer (også subatomære partikler) så lette? Er Higgs-boson-partiklen af ​​sig selv, eller er der en Higgs-zoo? Der er gode grunde til, at Higgs-bosonen umuligt kunne være alene. Der skal være mere i billedet.

Rutgers Today: Hvad fokuserer du på?

Somalwar:Jeg leder efter beviser for tunge partikler, der kunne have eksisteret et picosekund efter Big Bang. Disse partikler eksisterer ikke længere, fordi de degenererer. De er meget ustabile. De kunne forklare, hvorfor neutrinoer er så lette, og hvorfor stort set alt antistof forsvandt, men ikke alt stof forsvandt. Det, vi laver, kaldes grænsevidenskab – det er på forkant med fysikken:de mindste afstande og højeste energier. Når du kommer til grænsen, du optager meget af området og begynder at prospektere. Men på et tidspunkt, tingene er udvundet, og du har brug for en ny grænse. Vi er lige begyndt at lede her. Vi har ikke nok mineområder, og vi kan have nogle ædelstene liggende der, og flere vil komme i løbet af det næste år eller to. Så, det er en meget spændende tid lige nu, fordi det er som om, vi er nået til guldfeberen.

Thomas:Jeg forsøger at forstå den fysik, der ligger til grund for Higgs-sektoren i Standard Model-teorien, som skal indeholde mindst én partikel – Higgs-bosonen. Denne sektor er meget vigtig, fordi den bestemmer størrelsen af ​​atomer og massen af ​​elementarpartikler. Fysikken, der ligger til grund for Higgs-sektoren, er en vejspærring for at forstå fysik i en mere fundamental skala. Er der andre arter af Higgs-partikler? Hvad er deres interaktioner, og hvilke egenskaber har de? Det ville begynde at give os ledetråde, og så kunne vi måske rekonstruere en teori om, hvad der ligger til grund for standardmodellen. Den virkelige motivation er at forstå, hvordan universet fungerer på dets mest fundamentale niveau. Det er det, der driver os alle sammen.