2021:Et år spurgte fysikere:Hvad ligger der hinsides standardmodellen?

Hvis du beder en fysiker som mig om at forklare, hvordan verden fungerer, kan mit dovne svar være:"Det følger standardmodellen."

Standardmodellen forklarer den grundlæggende fysik i, hvordan universet fungerer. Den har udstået over 50 ture rundt om Solen på trods af, at eksperimentelle fysikere konstant søger efter revner i modellens fundament.

Med få undtagelser har den stået til denne kontrol og bestået eksperimentel test efter eksperimentel test med glans. Men denne vildt succesrige model har konceptuelle huller, der tyder på, at der er lidt mere at lære om, hvordan universet fungerer.

Jeg er neutrinofysiker. Neutrinoer repræsenterer tre af de 17 fundamentale partikler i standardmodellen. De lyner gennem alle mennesker på Jorden på alle tidspunkter af dagen. Jeg studerer egenskaberne af interaktioner mellem neutrinoer og normale stofpartikler.

I 2021 kørte fysikere rundt om i verden en række eksperimenter, der undersøgte standardmodellen. Hold målte modellens grundlæggende parametre mere præcist end nogensinde før. Andre undersøgte udkanten af ​​viden, hvor de bedste eksperimentelle målinger ikke helt matcher forudsigelserne fra standardmodellen. Og endelig byggede grupper mere kraftfulde teknologier designet til at skubbe modellen til dets grænser og potentielt opdage nye partikler og felter. Hvis disse bestræbelser slår ud, kan de føre til en mere komplet teori om universet i fremtiden.

Fyldningshuller i standardmodel

I 1897 blev J.J. Thomson opdagede den første fundamentale partikel, elektronen, ved hjælp af intet andet end glasvakuumrør og ledninger. Mere end 100 år senere opdager fysikere stadig nye dele af standardmodellen.

Standardmodellen er en forudsigende ramme, der gør to ting. Først forklarer den, hvad de grundlæggende partikler af stof er. Det er ting som elektroner og kvarkerne, der udgør protoner og neutroner. For det andet forudsiger den, hvordan disse stofpartikler interagerer med hinanden ved hjælp af "budbringerpartikler". Disse kaldes bosoner – de omfatter fotoner og den berømte Higgs boson – og de kommunikerer naturens grundlæggende kræfter. Higgs-bosonen blev først opdaget i 2012 efter årtiers arbejde på CERN, den enorme partikelkolliderer i Europa.

Standardmodellen er utrolig god til at forudsige mange aspekter af, hvordan verden fungerer, men den har nogle huller.

Det indeholder især ingen beskrivelse af tyngdekraften. Mens Einsteins teori om generel relativitet beskriver, hvordan tyngdekraften fungerer, har fysikere endnu ikke opdaget en partikel, der formidler tyngdekraften. En ordentlig "Theory of Everything" ville gøre alt, hvad standardmodellen kan, men også inkludere messenger-partiklerne, der kommunikerer, hvordan tyngdekraften interagerer med andre partikler.

En anden ting, som standardmodellen ikke kan, er at forklare, hvorfor enhver partikel har en vis masse – fysikere skal måle partiklernes masse direkte ved hjælp af eksperimenter. Først efter at eksperimenter har givet fysikerne disse nøjagtige masser, kan de bruges til forudsigelser. Jo bedre målinger, jo bedre forudsigelser kan der laves.

For nylig målte fysikere på et hold på CERN, hvor stærkt Higgs-bosonen føler sig selv. Et andet CERN-hold målte også Higgs bosonens masse mere præcist end nogensinde før. Og endelig var der også fremskridt med at måle massen af ​​neutrinoer. Fysikere ved, at neutrinoer har mere end nul masse, men mindre end den mængde, der i øjeblikket kan påvises. Et hold i Tyskland har fortsat med at forfine de teknikker, der kunne give dem mulighed for direkte at måle massen af ​​neutrinoer.

Tips om nye kræfter eller partikler

I april 2021 annoncerede medlemmer af Muon g-2-eksperimentet på Fermilab deres første måling af muonens magnetiske moment. Myonen er en af ​​de grundlæggende partikler i standardmodellen, og denne måling af en af ​​dens egenskaber er den mest nøjagtige til dato. Grunden til, at dette eksperiment var vigtigt, var, at målingen ikke passede perfekt til standardmodellens forudsigelse af det magnetiske moment. Dybest set opfører myoner sig ikke, som de burde. Dette fund kunne pege på uopdagede partikler, der interagerer med myoner.

Men samtidig, i april 2021, viste fysikeren Zoltan Fodor og hans kolleger, hvordan de brugte en matematisk metode kaldet Lattice QCD til præcist at beregne myonens magnetiske moment. Deres teoretiske forudsigelse er forskellig fra gamle forudsigelser, fungerer stadig inden for standardmodellen og, hvad der er vigtigt, matcher eksperimentelle målinger af myonen.

Uenigheden mellem de tidligere accepterede forudsigelser, dette nye resultat og den nye forudsigelse skal forenes, før fysikere vil vide, om det eksperimentelle resultat virkelig er ud over standardmodellen.

Opgradering af fysikkens værktøjer

Fysikere må skifte mellem at skabe de åndssvage ideer om virkeligheden, der udgør teorier, og fremme teknologier til det punkt, hvor nye eksperimenter kan teste disse teorier. 2021 var et stort år for at fremme fysikkens eksperimentelle værktøjer.

Først blev verdens største partikelaccelerator, Large Hadron Collider ved CERN, lukket ned og gennemgik nogle væsentlige opgraderinger. Fysikere har netop genstartet anlægget i oktober, og de planlægger at begynde den næste dataindsamlingskørsel i maj 2022. Opgraderingerne har øget kolliderens kraft, så den kan producere kollisioner ved 14 TeV, op fra den tidligere grænse på 13 TeV. Det betyder, at de partier af små protoner, der bevæger sig i stråler rundt om den cirkulære accelerator, tilsammen bærer den samme mængde energi som et 800.000 pund (360.000 kilogram) passagertog, der kører med 100 mph (160 km/t). Ved disse utrolige energier kan fysikere opdage nye partikler, der var for tunge til at se ved lavere energier.

Nogle andre teknologiske fremskridt blev gjort for at hjælpe med at søge efter mørkt stof. Mange astrofysikere mener, at mørkt stof-partikler, som i øjeblikket ikke passer ind i standardmodellen, kunne besvare nogle udestående spørgsmål vedrørende den måde, hvorpå tyngdekraften bøjer sig omkring stjerner - kaldet gravitationslinser - såvel som den hastighed, hvormed stjerner roterer i spiralgalakser. Projekter som Cryogenic Dark Matter Search har endnu ikke fundet mørkt stof-partikler, men holdene udvikler større og mere følsomme detektorer, der skal implementeres i den nærmeste fremtid.

Særligt relevant for mit arbejde med neutrinoer er udviklingen af ​​enorme nye detektorer som Hyper-Kamiokande og DUNE. Ved hjælp af disse detektorer vil forskere forhåbentlig være i stand til at besvare spørgsmål om en grundlæggende asymmetri i, hvordan neutrinoer svinger. De vil også blive brugt til at holde øje med protonhenfald, et foreslået fænomen, som visse teorier forudsiger skulle forekomme.

2021 fremhævede nogle af de måder, hvorpå Standardmodellen ikke formår at forklare ethvert mysterium i universet. Men nye målinger og ny teknologi hjælper fysikere med at komme videre i søgen efter Theory of Everything.