Søger efter mørkt stof gennem den femte dimension

Teoretiske fysikere fra PRISMA+ Cluster of Excellence ved Johannes Gutenberg University Mainz arbejder på en teori, der går ud over standardmodellen for partikelfysik og kan besvare spørgsmål, hvor standardmodellen skal bestå – f.eks. med hensyn til hierarkierne af masserne af elementarpartikler eller eksistensen af ​​mørkt stof. Det centrale element i teorien er en ekstra dimension i rumtiden. Indtil nu, videnskabsmænd har stået over for det problem, at forudsigelserne i deres teori ikke kunne testes eksperimentelt. De har nu overvundet dette problem i en publikation i det aktuelle nummer af European Physical Journal C .

Allerede i 1920'erne i et forsøg på at forene tyngdekraften og elektromagnetismen, Theodor Kaluza og Oskar Klein spekulerede i eksistensen af ​​en ekstra dimension ud over de velkendte tre rumdimensioner og tid - som i fysik er kombineret til 4-dimensionel rumtid. Hvis det findes, sådan en ny dimension skulle være utrolig lille og umærkelig for det menneskelige øje. I slutningen af ​​1990'erne har denne idé fået en bemærkelsesværdig renæssance, da det blev indset, at eksistensen af ​​en femte dimension kunne løse nogle af partikelfysikkens dybe åbne spørgsmål. I særdeleshed, Yuval Grossman fra Stanford University og Matthias Neubert, dengang professor ved Cornell University, viste i en meget citeret publikation, at indlejringen af ​​standardmodellen for partikelfysik i en 5-dimensionel rumtid kunne forklare de hidtil mystiske mønstre set i masserne af elementarpartikler.

Yderligere 20 år senere, gruppen af ​​Matthias Neubert – siden 2006 på fakultetet ved Johannes Gutenberg Universitetet i Mainz (Tyskland) og talsmand for PRISMA+ Cluster of Excellence – gjorde endnu en uventet opdagelse:de fandt ud af, at de 5-dimensionelle feltligninger forudsagde eksistensen af ​​en ny, tung partikel med lignende egenskaber som den berømte Higgs-boson, men en meget tungere masse - så tung, faktisk, at det ikke kan produceres selv ved den højest energirige partikelkolliderer i verden:Large Hadron Collider (LHC) ved European Center for Nuclear Research CERN nær Genève (Schweiz). "Det var et mareridt", husker Javier Castellano Ruiz, en ph.d. studerende involveret i forskningen, "vi var begejstrede over ideen om, at vores teori forudsiger en ny partikel, men det så ud til at være umuligt at bekræfte denne forudsigelse i ethvert forudsigeligt eksperiment."

Omvejen gennem den femte dimension

I et nyligt papir offentliggjort i European Physical Journal C , forskerne fandt en spektakulær løsning på dette dilemma. De opdagede, at deres foreslåede partikel nødvendigvis ville formidle en ny kraft mellem de kendte elementarpartikler (vores synlige univers) og det mystiske mørke stof (den mørke sektor). Selv overfloden af ​​mørkt stof i kosmos, som observeret i astrofysiske eksperimenter, kan forklares med deres teori. Dette tilbyder spændende nye måder at søge efter det mørke stofs bestanddele – bogstaveligt talt via en omvej gennem den ekstra dimension – og få spor om fysikken på et meget tidligt tidspunkt i vores univers' historie, når det mørke stof blev produceret. "Efter flere års søgen efter mulige bekræftelser af vores teoretiske forudsigelser, vi er nu sikre på, at den mekanisme, vi har opdaget, ville gøre det mørke stof tilgængeligt for kommende eksperimenter, fordi egenskaberne af den nye interaktion mellem almindeligt stof og mørkt stof – som er medieret af vores foreslåede partikel – kan beregnes nøjagtigt inden for vores teori" siger Matthias Neubert, leder af forskergruppen. "I sidste ende - så vores håb - kan den nye partikel blive opdaget først gennem dens interaktioner med den mørke sektor." Dette eksempel illustrerer fint det frugtbare samspil mellem eksperimentel og teoretisk grundvidenskab - et kendetegn for PRISMA+ Cluster of Excellence.