X17-faktoren:En partikel, der er ny i fysikken, kan måske løse mysteriet med mørkt stof

Et hold videnskabsmænd i Ungarn har for nylig offentliggjort et papir, der antyder eksistensen af ​​en hidtil ukendt subatomær partikel. Holdet rapporterede først at finde spor af partiklen i 2016, og de rapporterer nu om flere spor i et andet eksperiment.

Hvis resultaterne bekræftes, den såkaldte X17-partikel kunne hjælpe med at forklare mørkt stof, det mystiske stof, forskerne mener, tegner sig for mere end 80% af massen i universet. Det kan være bæreren af ​​en "femte kraft" ud over de fire, der er taget højde for i standardmodellen for fysik (tyngdekraft, elektromagnetisme, den svage kernekraft og den stærke kernekraft).

At smadre atomer

De fleste forskere, der jager efter nye partikler, bruger enorme acceleratorer, der smadrer subatomære partikler sammen med høj hastighed og ser på, hvad der kommer ud af eksplosionen. Den største af disse acceleratorer er Large Hadron Collider i Europa, hvor Higgs-bosonen - en partikelforskere havde jaget i årtier - blev opdaget i 2012.

Attila J. Krasznahorkay og hans kolleger ved ATOMKI (instituttet for nuklear forskning i Debrecen, Ungarn) har valgt en anden tilgang, udfører mindre eksperimenter, der affyrer de subatomære partikler, der kaldes protoner, mod kernerne af forskellige atomer.

I 2016 de så på par af elektroner og positroner (antistof-versionen af ​​elektroner), der blev produceret, når beryllium-8-kerner gik fra en højenergitilstand til en lavenergitilstand.

De fandt en afvigelse fra, hvad de forventede at se, når der var en stor vinkel mellem elektronerne og positronerne. Denne anomali kunne bedst forklares, hvis kernen udsendte en ukendt partikel, som senere "splittede" i en elektron og en positron.

Denne partikel skulle være en boson, som er den slags partikel, der bærer kraft, og dens masse ville være omkring 17 millioner elektronvolt. Det er omtrent lige så tungt som 34 elektroner, hvilket er ret let for en partikel som denne. (Higgs bosonen, for eksempel, er mere end 10, 000 gange tungere.)

På grund af dens masse, Krasznahorkay og hans team kaldte den hypotetiske partikel X17. Nu har de observeret en mærkelig adfærd i helium-4 kerner, som også kan forklares med tilstedeværelsen af ​​X17.

Denne seneste anomali er statistisk signifikant - et syv sigma-konfidensniveau, hvilket betyder, at der kun er en meget lille mulighed for, at resultatet opstod tilfældigt. Dette er langt ud over den sædvanlige fem-sigma standard for en ny opdagelse, så resultatet synes at tyde på, at der er noget ny fysik her.

Kontrol og dobbeltkontrol

Imidlertid, den nye meddelelse og den i 2016 er blevet mødt med skepsis af fysiksamfundet - den slags skepsis, der ikke eksisterede, da to hold samtidig annoncerede opdagelsen af ​​Higgs-bosonen i 2012.

Så hvorfor er det så svært for fysikere at tro, at en ny letvægtsboson som denne kunne eksistere?

Først, eksperimenter af denne art er vanskelige, og det samme er analysen af ​​dataene. Signaler kan dukke op og forsvinde. Tilbage i 2004, for eksempel, gruppen i Debrecen fandt beviser, de fortolkede som den mulige eksistens af en endnu lettere boson, men da de gentog eksperimentet, var signalet væk.

Sekund, man skal sikre sig, at selve eksistensen af ​​X17 er kompatibel med resultaterne fra andre eksperimenter. I dette tilfælde, både 2016-resultatet med beryllium og det nye resultat med helium kan forklares med eksistensen af ​​X17, men en uafhængig kontrol fra en uafhængig gruppe er stadig nødvendig.

Krasznahorkay og hans gruppe rapporterede først svage beviser (på et tre-sigma niveau) for en ny boson i 2012 på en workshop i Italien.

Siden da har holdet gentaget eksperimentet med opgraderet udstyr og med succes reproduceret beryllium-8-resultaterne, hvilket er betryggende, ligesom de nye resultater i helium-4. Disse nye resultater blev præsenteret på HIAS 2019-symposiet på Australian National University i Canberra.

Hvad har det med mørkt stof at gøre?

Forskere mener, at det meste af stoffet i universet er usynligt for os. Såkaldt mørkt stof ville kun interagere med normalt stof meget svagt. Vi kan udlede, at den eksisterer ud fra dens gravitationsvirkninger på fjerne stjerner og galakser, men det er aldrig blevet opdaget i laboratoriet.

Så hvor kommer X17 ind?

I 2003, i en af ​​os (Boehm) viste, at en partikel som X17 kunne eksistere, i arbejde sammen med Pierre Fayet og alene. Det ville bære kraft mellem mørkt stof partikler på nogenlunde samme måde fotoner, eller partikler af lys, gøre for almindelige sager.

I et af de scenarier, jeg foreslog, lette partikler af mørkt stof kunne nogle gange producere par af elektroner og positroner på en måde, der svarer til, hvad Krasznahorkays hold har set.

Dette scenarie har ført til mange søgninger i lavenergieksperimenter, som har udelukket en masse muligheder. Imidlertid, X17 er endnu ikke blevet udelukket - i så fald kunne Debrecen-gruppen faktisk have opdaget, hvordan mørkt stof-partikler kommunikerer med vores verden.

Der kræves flere beviser

Mens resultaterne fra Debrecen er meget interessante, fysiksamfundet vil ikke være overbevist om, at en ny partikel faktisk er blevet fundet, før der er en uafhængig bekræftelse.

Så vi kan forvente mange eksperimenter rundt om i verden, der leder efter en ny letvægtsboson for at begynde at jage efter beviser for X17 og dets interaktion med par af elektroner og positroner.

Hvis bekræftelsen kommer, den næste opdagelse kan være selve mørkt stofpartiklerne.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs den originale artikel.