En femte fundamental kraft kunne virkelig eksistere, men vi har ikke fundet det endnu

Universet er styret af fire grundlæggende kræfter:tyngdekraften, elektromagnetisme og de stærke og svage kernekræfter. Disse kræfter driver bevægelsen og adfærden af ​​alt, hvad vi ser omkring os. I det mindste, det er hvad vi mener. Men i løbet af de sidste mange år, der har været stigende beviser for en femte fundamental kraft. Ny forskning har ikke opdaget denne femte kraft, men det viser, at vi stadig ikke helt forstår disse kosmiske kræfter.

De grundlæggende kræfter er en del af standardmodellen for partikelfysik. Denne model beskriver alle kvantepartiklerne, inklusive elektroner, protoner, antistof og andre. Quarks, neutrinoer og Higgs boson er alle en del af modellen.

Udtrykket "kraft" i modellen er lidt af en misvisende betegnelse. I standardmodellen, hver kraft er resultatet af en type bærerboson. Fotoner er bærerbosonen for elektromagnetisme. Gluoner er bærerbosonerne for den stærke interaktion, og bosoner kendt som W og Z er for den svage interaktion. Tyngdekraften er teknisk set ikke en del af standardmodellen, men det antages, at kvantetyngdekraften har en boson kendt som graviton. Vi forstår stadig ikke helt kvantetyngdekraften, men en idé er, at tyngdekraften kan forenes med standardmodellen for at producere en stor forenet teori (GUT).

Hver partikel, vi nogensinde har opdaget, er en del af standardmodellen. Disse partiklers opførsel matcher modellen ekstremt nøjagtigt. Forskere har ledt efter partikler ud over standardmodellen, men indtil videre, de har aldrig fundet nogen. Standardmodellen er en triumf af videnskabelig forståelse. Det er toppen af ​​kvantefysikken.

Men vi er begyndt at erfare, at det har nogle alvorlige problemer.

Til at starte med, vi ved nu, at standardmodellen ikke kan kombineres med tyngdekraften på den måde, vi troede. I standardmodellen, de grundlæggende kræfter "forener" sig på højere energiniveauer. Elektromagnetisme og de svage kombineres til de elektrosvage, og den elektrosvage forener sig med den stærke for at blive den elektroniske nukleare kraft. Ved ekstremt høje energier bør elektronkerne- og gravitationskræfterne forenes. Eksperimenter i partikelfysik har vist, at foreningsenergierne ikke stemmer overens.

Mere problematisk er spørgsmålet om mørkt stof. Mørkt stof blev først foreslået for at forklare, hvorfor stjerner og gas på yderkanten af ​​en galakse bevæger sig hurtigere end forudsagt af tyngdekraften. Enten er vores tyngdekraftsteori på en eller anden måde forkert, eller der må være en eller anden usynlig (mørk) masse i galakser. I løbet af de sidste 50 år, beviserne for mørkt stof er blevet rigtig stærke. Vi har observeret, hvordan mørkt stof klynger galakser sammen, hvordan det er fordelt i bestemte galakser, og hvordan den opfører sig. Vi ved, at det ikke interagerer stærkt med regulært stof eller sig selv, og det udgør størstedelen af ​​massen i de fleste galakser.

Men der er ingen partikel i standardmodellen, der kan udgøre mørkt stof. Det er muligt, at mørkt stof kan være lavet af noget som små sorte huller, men astronomiske data understøtter ikke rigtig den idé. Mørkt stof er højst sandsynligt lavet af en endnu uopdaget partikel, en standardmodellen ikke forudsiger.

Så er der mørk energi. Detaljerede observationer af fjerne galakser viser, at universet udvider sig med en stadigt stigende hastighed. Der ser ud til at være en eller anden form for energi, der driver denne proces, og vi forstår ikke hvordan. Det kunne være, at denne acceleration er resultatet af strukturen af ​​rum og tid, en slags kosmologisk konstant, der får universet til at udvide sig. Det kan være, at dette er drevet af en ny kraft, der endnu ikke er opdaget. Uanset hvad mørk energi er, det udgør mere end to tredjedele af universet.

Alt dette peger på, at standardmodellen er, i bedste fald, ufuldstændig. Der er ting, vi grundlæggende mangler i den måde, universet fungerer på. Der er blevet foreslået en masse ideer til at rette standardmodellen, fra supersymmetri til endnu uopdagede kvarker, men en idé er, at der er en femte grundlæggende kraft. Denne kraft ville have sine egne bærerboson(er) såvel som nye partikler ud over dem, vi har opdaget.

Denne femte kraft ville også interagere med de partikler, vi har observeret, på subtile måder, der modsiger standardmodellen. Dette bringer os til et nyt papir, der hævder at have beviser for en sådan interaktion.

Papiret ser på en anomali i henfaldet af helium-4 kerner, og det bygger på en tidligere undersøgelse af beryllium-8 henfald. Beryllium-8 har en ustabil kerne, der henfalder til to kerner af helium-4. I 2016 holdet fandt ud af, at henfaldet af beryllium-8 synes at krænke standardmodellen en smule. Når kernerne er i en exciteret tilstand, det kan udsende et elektron-positron-par, når det henfalder. Antallet af par observeret ved større vinkler er højere end standardmodellen forudsiger, og er kendt som Atomki-anomalien.

Der er mange mulige forklaringer på anomalien, inklusive eksperimentfejl, men en forklaring er, at det er forårsaget af boson holdet ved navn X17. Det ville være bærerbosonen for en (endnu ukendt) femte fundamental kraft, med en masse på 17 MeV. I det nye blad, holdet fandt en lignende uoverensstemmelse i henfaldet af helium-4. X17-partiklen kunne også forklare denne anomali.

Selvom det lyder spændende, der er grund til at være forsigtig. Når man ser på detaljerne i det nye papir, der er lidt mærkelige datajusteringer. I bund og grund, holdet antager, at X17 er nøjagtig og viser, at dataene kan fås til at passe med deres model. At vise, at en model kan forklare anomalierne, er ikke det samme som at bevise, at din model forklarer anomalierne. Andre forklaringer er mulige. Hvis X17 eksisterer, vi skulle også have set det i andre partikeleksperimenter, og det har vi ikke. Beviserne for denne "femte kraft" er stadig svage.

Den femte kraft kunne eksistere, men vi har ikke fundet det endnu. Hvad vi ved er, at standardmodellen ikke stemmer helt overens, og det betyder, at nogle meget interessante opdagelser venter på at blive fundet.