Standardmodellen for partikelfysik kan være brudt, siger ekspert

Som fysiker, der arbejder ved Large Hadron Collider (LHC) i Cern, er et af de hyppigste spørgsmål, jeg bliver stillet, "Hvornår finder du noget?" Modstå fristelsen til sarkastisk at svare "Bortset fra Higgs-bosonen, som vandt Nobelprisen, og en hel masse nye sammensatte partikler?" Jeg er klar over, at grunden til, at spørgsmålet stilles så ofte, er, hvordan vi har skildret fremskridt inden for partikelfysik til den bredere verden.

Vi taler ofte om fremskridt i forhold til at opdage nye partikler, og det er det ofte. At studere en ny, meget tung partikel hjælper os med at se underliggende fysiske processer - ofte uden generende baggrundsstøj. Det gør det nemt at forklare værdien af ​​opdagelsen for offentligheden og politikerne.

For nylig har en række præcise målinger af allerede kendte mosestandardpartikler og processer dog truet med at ryste fysikken. Og med LHC klar til at køre med højere energi og intensitet end nogensinde før, er det tid til at begynde at diskutere implikationerne bredt.

I sandhed har partikelfysikken altid forløbet på to måder, hvoraf nye partikler er den ene. Den anden er ved at lave meget præcise målinger, der tester teoriernes forudsigelser og leder efter afvigelser fra det forventede.

De tidlige beviser for Einsteins generelle relativitetsteori kom for eksempel fra opdagelsen af ​​små afvigelser i stjernernes tilsyneladende positioner og fra Merkurs bevægelse i dens kredsløb.

Tre nøgleresultater

Partikler adlyder en kontraintuitiv, men enormt succesfuld teori kaldet kvantemekanik. Denne teori viser, at partikler, der er alt for massive til at blive lavet direkte i en laboratoriekollision, stadig kan påvirke, hvad andre partikler gør (gennem noget, der kaldes "kvantefluktuationer"). Målinger af sådanne effekter er dog meget komplekse og meget sværere at forklare for offentligheden.

Men nylige resultater, der antyder uforklarlig ny fysik ud over standardmodellen, er af denne anden type. Detaljerede undersøgelser fra LHCb-eksperimentet viste, at en partikel kendt som en skønhedskvark (kvarker udgør protonerne og neutronerne i atomkernen) "henfalder" (falder fra hinanden) til en elektron meget oftere end til en myon - elektronen er tungere, men ellers identiske, søskende. Ifølge standardmodellen burde dette ikke ske - antyder, at nye partikler eller endda naturkræfter kan påvirke processen.

Spændende er det dog, at målinger af lignende processer, der involverer "topkvarker" fra ATLAS-eksperimentet ved LHC, viser, at dette henfald sker med samme hastighed for elektroner og myoner.

I mellemtiden har Muon g-2-eksperimentet ved Fermilab i USA for nylig lavet meget præcise undersøgelser af, hvordan muoner "slingrer", når deres "spin" (en kvanteegenskab) interagerer med omgivende magnetfelter. Den fandt en lille, men signifikant afvigelse fra nogle teoretiske forudsigelser - igen tyder det på, at ukendte kræfter eller partikler kan være på arbejde.

Det seneste overraskende resultat er en måling af massen af ​​en fundamental partikel kaldet W-bosonen, som bærer den svage kernekraft, der styrer radioaktivt henfald. Efter mange års dataoptagelse og analyse tyder eksperimentet, også hos Fermilab, på, at det er betydeligt tungere, end teorien forudsiger - afvigende med en mængde, der ikke ville ske tilfældigt i mere end en million millioner eksperimenter. Igen kan det være, at endnu uopdagede partikler tilføjer dens masse.

Interessant nok er dette dog også uenigt med nogle lavere præcisionsmålinger fra LHC (præsenteret i denne undersøgelse og denne).

Dommen

Selvom vi ikke er helt sikre på, at disse effekter kræver en ny forklaring, ser det ud til, at beviserne vokser for, at der er brug for noget ny fysik.

Selvfølgelig vil der være næsten lige så mange nye mekanismer foreslået til at forklare disse observationer, som der er teoretikere. Mange vil se til forskellige former for "supersymmetri". Dette er ideen om, at der er dobbelt så mange fundamentale partikler i standardmodellen, end vi troede, hvor hver partikel har en "superpartner." Disse kan involvere yderligere Higgs-bosoner (associeret med det felt, der giver fundamentale partikler deres masse).

Andre vil gå ud over dette og påberåbe sig mindre nyligt fashionable ideer såsom "technicolor", som ville antyde, at der er yderligere naturkræfter (ud over tyngdekraften, elektromagnetisme og de svage og stærke kernekræfter), og kan betyde, at Higgs-bosonen er i virkeligheden et sammensat objekt lavet af andre partikler. Kun eksperimenter vil afsløre sandheden af ​​sagen - hvilket er gode nyheder for eksperimentelister.

Forsøgsholdene bag de nye resultater er alle vel respekterede og har arbejdet med problemerne i lang tid. Når det er sagt, er det ingen respekt for dem at bemærke, at disse målinger er ekstremt svære at foretage. Hvad mere er, forudsigelser af standardmodellen kræver normalt beregninger, hvor der skal foretages tilnærmelser. Dette betyder, at forskellige teoretikere kan forudsige lidt forskellige masser og henfaldshastigheder afhængigt af antagelserne og tilnærmelsesniveauet. Så det kan være, at når vi laver mere præcise beregninger, vil nogle af de nye resultater passe med standardmodellen.

Ligeledes kan det være, at forskerne bruger subtilt forskellige fortolkninger og derfor finder inkonsistente resultater. Sammenligning af to eksperimentelle resultater kræver omhyggelig kontrol af, at det samme niveau af tilnærmelse er blevet brugt i begge tilfælde.

Disse er begge eksempler på kilder til "systematisk usikkerhed", og selvom alle involverede gør deres bedste for at kvantificere dem, kan der være uforudsete komplikationer, der under- eller overvurderer dem.

Intet af dette gør de nuværende resultater mindre interessante eller vigtige. Hvad resultaterne illustrerer er, at der er flere veje til en dybere forståelse af den nye fysik, og de skal alle udforskes.

Med genstarten af ​​LHC er der stadig udsigt til, at nye partikler bliver lavet gennem sjældnere processer eller fundet skjult under baggrunde, som vi endnu ikke har fundet frem til. + Udforsk yderligere

Indsigt i Higgs-bosonens interaktion med charmekvarken

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