Bild: Getty images

Forskarna letar efter den nya fysiken

Det är något som inte stämmer med massan för W-bosonen. Partikeln kan ge en ledtråd till det större mönster som fysikerna anar bakom de kända krafterna.

Premium
Publicerad

W-bosonen hör ihop med den minst påtagliga av naturens grundläggande krafter: den svaga kärnkraften som bland annat ligger bakom vissa kärnsönderfall. Denna doldis bland partiklar har hamnat i rampljuset efter att den noggrannaste mätningen av dess massa någonsin publicerades tidigare i år. Den uppmätta massan ser nämligen ut att vara oförenlig med det förväntade värdet. Det låter som en obskyr detalj, men det skulle kunna vara en av de sprickor forskare söker efter i det solida teoribygge som kallas för partikelfysikens standardmodell.

– Vi vet att standardmodellen funkar och den är nästan irriterande bra. Irriterande för att ingen tror att den är den slutgiltiga teorin, säger Gabriele Ferretti, professor i partikelfysik vid Chalmers tekniska högskola.

Gabriele Ferretti är professor i partikelfysik vid Chalmers tekniska högskola.
Bild: Anna-Lena Lundqvist / Chalmers

Luckor i standardmodellen

Standardmodellen är teorin för de byggstenar som all materia och strålning består av, och hur de växelverkar med varandra. Det finns dock saker som standardmodellen inte täcker in. Gravitationen finns inte med, och trots att det finns starka tecken på att den största delen av all materia i universum är en okänd ”mörk” materia kan standardmodellen inte förklara den. Ett annat mysterium är varför det blev mer materia än antimateria över efter den heta ursoppan i big bang. Dessutom finns det massor av parametrar som inte går att beräkna i teorin utan måste undersökas experimentellt.

Det finns alltså ett antal tecken som tyder på att en fullständig beskrivning av universums partiklar och krafter behöver innehålla något mer än dagens standardmodell.

Problemet är att ingen ännu har hittat något tydligt tecken på vad det är som saknas. Det behövs ledtrådar till hur en ny och mer fullständig teori ska se ut, och fysiker söker med alla tillgängliga verktyg efter sådant som inte riktigt passar in.

Det är här den nya mätningen av W-bosonens massa kommer in.

Sagolika framgångar

W betecknar strikt taget två olika partiklar, en med positiv och en med negativ elektrisk laddning, W+ och W. Historien bakom upptäckten av W+ och W är en del av partikelfysikens sagolika framgångar under 1900-talet. Teorin för hur den svaga kärnkraften förmedlades av laddade kraftbosoner började utvecklas på 1940-talet, och de kallades W för weak, svag. Under 1960-talet kompletterades bilden med en elektriskt neutral boson som kallades Z. Teorin passade elegant ihop, och forskarna kunde beräkna bosonernas massor och i vilka reaktioner de skulle kunna visa sig.

År 1976 stod en ny partikelaccelerator färdig vid det europeiska partikelfysiklaboratoriet Cern i Schweiz: SPS (Super proton synchrotron). Den är nästan sju kilometer i omkrets och var med knapp marginal störst i världen. Konkurrensen med det amerikanska Fermilab i Illinois var hård. Det här var en guldålder för partikelfysiken, och många viktiga upptäckter gjordes på kort tid. För att kunna söka efter W och Z uppgraderades SPS i Cern till att kunna kollidera protoner med antiprotoner, och 1983 kom det väntade resultatet. Allt tycktes stämma nästan förbluffande väl med teorin. Fysikerna Carlo Rubbia och Simon van der Meer fick Nobelpriset i fysik 1984 för att ha konstruerat experimentet som gjorde upptäckten möjlig.

Allt såg ut att passa i standardmodellens ramverk – fram tills april i år då fysiker vid Fermilab gjorde en extra noggrann mätning av W-bosonens massa.

Den nya mätningen gjordes vid partikel­experimentet CDF (Collider detector at Fermilab). Experimentet avvecklades visserligen för tio år sedan, men forskarna jobbar fortfarande med data som samlades in medan det var igång. I våras publicerade de sitt resultat för W-bosonen.

Jonas Strandberg arbetar vid acceleratorn LHC på Cern.
Bild: Sara Strandberg

– De har mätt massan till en otrolig precision. Jag är extremt imponerad, säger Jonas Strandberg.

Han jobbar själv med ett liknande experiment, nämligen Atlas vid acceleratorn LHC på Cern. Därför vet han vad som krävs för att få fram ett resultat som detta.

Den sista pusselbiten

Efter framgångarna med acceleratorn SPS i Cern byggdes den ännu mycket större maskinen LEP (Large electron-positron collider), 27 kilometer i omkrets. Den stängdes av år 2000 och i dess underjordiska tunnel byggdes i stället den lika stora LHC (Large hadron collider), som stod klar 2008. Tack vare den upptäcktes för tio år sedan den sista pusselbiten i standardmodellen: Higgsbosonen, som hör ihop med mekanismen som ger partiklarna massa.

Det som gör många forskare särskilt intresserade av den senaste mätningen av W-bosonen är att resultatet inte överlappar med vare sig det teoretiska värdet eller med resultaten från de bästa tidigare experimenten. Det är väldigt stor skillnad och ser inte ut som om det kan förklaras med slumpen. Forskarvärlden avvaktar ändå lite med att lita på det nya resultatet. Det är alltför oväntat och avvikande, och behöver bekräftas av andra försök.

Punkterna visar de senaste mätningarna av W-bosonens massa. Det skuggade bandet visar det beräknade värdet. De horisontella markeringarna kring punkterna visar osäkerheten i resultaten. Den nya mätningen från CDF i USA är mycket noggrannare än de övriga. Osäkerhetsintervallet överlappar inte med någon av de andra mätningarna, och inte heller med det beräknade värdet.

– Jag vet inte om de har underskattat sina osäkerheter, eller så. Men ingen har hittat någonting fel i det de har gjort, säger Jonas Strandberg.

Det kommer att ta tid att få fler nya experimentresultat att jämföra med. Det är en väldigt svår mätning att göra, för det går inte att ta en W-boson och lägga den på en våg. Det finns många delar som ska pusslas ihop och tolkas för att få ett resultat.

– Tunga partiklar som W är extremt kortlivade. Så fort man lyckas skapa dem sönderfaller de direkt, som en bomb som exploderar, säger Jonas Strandberg.

En verklig bjässe

Naturen föredrar tillstånd med lägre energi. Ju mer energi som potentiellt kan frigöras, desto fortare sker omvandlingen. En W-boson är verkligen en bjässe bland elementarpartiklarna. Den är ungefär 80 gånger tyngre än protonen, den stadiga laddade partikel som ingår i varje atomkärna. W-bosonen sönderfaller innan den hunnit längre än en bråkdel av en atomkärnas radie.

– Det enda vi kan se är partiklarna de ger upphov till, säger Jonas Strandberg.

Hela experimentet börjar med att partiklar accelereras och fås att krocka med varandra. Resultatet blir en skur av nya partiklar. Forskarna vet vad de börjar med, och sedan fångar de upp de skurar av blandade partiklar som kommer ut från krock­området och lämnar spår i instrumenten som omger kollisionen. Partiklarnas typ, deras energier och de riktningar de rör sig i kan pusslas ihop och ge en bild av vad som hände just efter krocken, och vilka partiklar som måste ha bildats och sönderfallit då.

Om resultatet bekräftas finns ett mysterium att förklara. Det hänger ihop med hur W+, W och Z passar in i partikelfysikens standardmodell.

Rikard Enberg forskar vid Uppsala universitet om fysik bortom standard­modellen.
Bild: Pia Lindberg

– Standardmodellen säger att kvoten mellan W- och Z-massan ges av en viss konstant. Den kan man inte ändra på. Om den kvoten ändras måste det bero på att det finns någonting bortom standardmodellen, säger Rikard Enberg, som forskar vid Uppsala universitet om fysik bortom standard­modellen.

De vanliga populärvetenskapliga förklaringarna av standardmodellen brukar stanna vid en tabell som redovisar vilka partiklar som finns. Det finns materiepartiklar, som med ett gemensamt namn kallas fermioner, och så finns det kraftförmedlingspartiklar som kallas bosoner. Alla partiklar har dessutom sina antipartiklar. Men standardmodellen är mer än bara en tabell.

– Det är en kvantmekanisk och relativistisk teori, en kvantfältteori, säger Rikard Enberg.

I en sådan teori behandlas allt som fält, storheter som har en utsträckning i rummet och som kan variera med tiden.

– Partiklarna hänger ihop med de här fälten. Och så finns det regler för hur man räknar med dem, säger Rikard Enberg.

Virtuella partiklar

På väggen i sitt arbetsrum har Rikard Enberg en whiteboard som vittnar om hur standardmodellen används i praktiken. Här har han bland annat ritat flera grafer av en sort som kallas Feynmandiagram, som visualiserar hur partiklar växelverkar med varandra. Partiklarna och deras rörelse ritas schematiskt som raka eller vågiga streck. Det finns regler för vilka typer av diagram som kan förekomma, och när diagrammet ställts upp hänger varje förgrening ihop med ett matematiskt uttryck. Med hjälp av de här reglerna kan forskare räkna ut vad som händer i olika typer av partikelreaktioner.

Standard­modellens partiklar och krafter

Storleken på pricken visar ungefärligt partiklarnas relativa massor. (Fotonen är i verkligheten utan massa.)
Bild: Johan Jarnestad & Anna Davour

Partikelfysikens standardmodell innehåller tolv materiepartiklar, fyra typer av kraftpartiklar – W- och Higgsbosonen. Alla materie­partiklar har sina antipartiklar.

Materiepartiklarna är indelade i tre generationer. De lättaste partiklarna, i den första generationen, är stabila. Uppkvarken (u), nerkvarken (d) och elektronen (e) finns i alla atomer. Elektron-neutriner (νe) bildas bland annat i kärnsönderfall och finns överallt, fast vi inte märker av dem.

Det blir lite mer komplicerat när kvantmekanikens alla möjligheter ska räknas in. För att förstå en reaktion riktigt grundligt räcker det nämligen inte med bara det enklaste diagrammet, den ”ledande ordningen” som fysiker säger. Det kan nämligen alltid uppstå tillfälliga, ”virtuella” par av partikel och antipartikel. Paret som bildas och åter förintas bildar en ögla på ett av partikelspåren i diagrammet. Diagrammen kan ritas med olika många sådana öglor, eller ”loopar” som fysiker säger.

Alltså bidrar partiklar som knappt hinner existera till vad som händer med de partiklar vi kan fånga och mäta.

De virtuella partiklarna är också en nyckelingrediens för mätningarna av W-bosonens massa. Vi behöver ta en titt på dem för att förstå varför experimentet vid Fermilab hade bättre förutsättningar för en noggrann mätning än experimenten vid Cern.

För att det ska bildas en W-boson måste en kvark kollidera med en antikvark. Kvarkar finns inte som enskilda, fria partiklar, utan bara inuti större partiklar som neutroner och protoner.

Den enklaste beskrivningen av en proton är att den består av en nerkvark och två uppkvarkar, som hålls samman av gluoner. Men det är inte hela sanningen. Nerkvarken och de två uppkvarkarna finns visserligen där som en stabil byggnadsställning, och de kallas för valenskvarkar. Men de är inbäddade i vad Jonas Strandberg beskriver som en gröt av blandade tillfälliga partiklar som uppstår och försvinner – kvantfluktuationer eller virtuella partiklar.

Okända ingredienser

Så ritar fysikerna för att förstå vad som händer

Bild: Johan Jarnestad & Anna Davour

Feynmandiagram är ett visuellt stöd för att analysera partikelreaktioner. Varje del av diagrammen motsvarar en komponent i en teoretisk beräkning. Raka linjer representerar materiapartiklar (fermioner) och vågiga linjer kraftförmedlingspartiklar (bosoner). Linjerna möts i noder som visar hur partiklarna växelverkar. Särskilda regler beskriver vilka kopplingar mellan partiklar som är möjliga, och hur starka de är.

Diagrammen har inte någon skala. De visar inte hur långt partiklarna går eller hur lång tid en process tar.

Ju mer invecklat ett diagram är, desto svårare blir beräkningen, och desto mindre bidrar det till det totala resultatet. Men för att göra en fullständig beräkning av hur ofta och hur snabbt en reaktion sker skulle i princip alla möjliga loopdiagram behövas. I praktiken gör fysiker ett urval.

Vid CDF på Fermilab i USA fick protoner kollidera med sina antipartiklar, antiprotoner. Då kunde en valenskvark krocka med en valens-antikvark, en process forskarna har ganska god koll på. Det gav dem en fördel när det gäller att lägga pusslet av partiklar i sluttillståndet.

Vid LHC i Cern skjuts i stället protoner mot protoner. Då kan en W-boson bara bildas om en valenskvark från byggnadsställningen i den ena protonen krockar med en antikvark från den virtuella ”gröten” i den andra. Det händer betydligt mer sällan, och ger större osäkerheter i resultatet.

Eftersom även eventuella oupptäckta partiklar är med bland kvantfluktuationerna kommer de att påverka detaljerna i partikelreaktionerna. De kan påverka hur stark en viss koppling är och göra en reaktion lite mer eller lite mindre vanlig. Förbättrad precision i experimenten skulle alltså kunna avslöja om det finns okända ingredienser i receptet för vårt universum.

Det är på det viset en avvikelse i W-bosonens massa kan hänga ihop med ny fysik.

”Ny fysik” kan innebära olika sorters upptäckter, förklarar Gabriele Ferretti:

– Ny fysik kan vara nya partiklar. Eller så kanske det visar sig att de partiklar som vi redan känner till inte är elementära, de kanske är uppbyggda av mindre delar. Eller så kan det vara att de partiklar vi känner till växelverkar på något annat sätt än i standardmodellen.

Samtidigt är nyheter inte nya särskilt länge.

– Jag tycker att det skulle kunna räcka att det finns något som inte passar in i standardmodellen, och i så fall har vi redan ny fysik, säger Jonas Strandberg.

Det gäller till exempel partiklarna som kallas neutriner, som i standardmodellen helt saknar massa. Vid det här laget är det mycket väl etablerat att de har massa, om än så liten att det inte har gått att mäta ordentligt. Fortfarande vet ändå ingen hur neutrinernas massor ska kunna passas in i standardmodellen. Det saknas något för att få allt att fungera tillsammans. Och det är som sagt ett annat sätt att se på vad som räknas som nytt.

Prenumerera på Forskning & Framsteg!

10 nummer om året och dagliga nyheter på webben med vetenskapligt grundad kunskap.

Beställ idag

Mätfel eller sprickor i modellen?

För att riktigt kunna se mönstret behövs mycket mer än forskarna i dag har tillgång till. Det finns en uppsjö av teoretiska arbeten som handlar om olika möjliga utvidgningar av standardmodellen. För att skilja mellan dem och förstå vad som stämmer med verkligheten behöver de testas och ringas in av experiment.

Det finns dessutom ytterligare några experimentella resultat som har diskuterats mycket på senare år, som kanske också är ledtrådar. Det gäller särskilt magnetismen hos myonen, men också vissa resultat som involverar bottenkvarken. Det finns också en anomali från ett experiment med sönderfall av beryllium vid det ungerska Atomkilaboratoriet, som kanske rymmer något nytt. Om något av de här resultaten kan bekräftas, och inte visar sig bero på mätfel eller tillfälliga slumpvariationer, då kan de också vara några av sprickorna i standardmodellen.

– Vi behöver fler resultat av samma storlek som W-anomalin, säger Jonas Strandberg.

Forskare fortsätter att tänka ut olika precisionsexperiment, men de kan inte göra riktigt vad som helst. Om något nytt gömmer sig bortom de energier som är tillgängliga vid dagens acceleratorer kommer det att vara svårt att undersöka dem ordentligt.

Bild: Johan Jarnestad

Fyra krafter styr naturen

Jonas Strandberg berättar att LHC i Cern kommer att fortsätta att vara den största partikelacceleratorn under de närmaste 20 åren. Experimenten vid LHC ska samla data fram till 2040. Under tiden funderar forskare och experimentbyggare på vad som kan bli nästa stora acceleratorprojekt. De kanske ska bygga en rak accelerator, eller en ny acceleratorring med ännu större omkrets än LHC. Den kanske kolliderar elektroner med deras antipartiklar, posi­troner, eller också kanske den kan använda myoner, om det inte blir en ny protonaccelerator. Var den byggs vet ingen heller ännu, även om det planeras seriösa förslag i Kina, Japan och Europa.

Oavsett vilket förslag som blir av kommer det att dröja decennier innan den nya maskinen kan börja ge resultat. Under tiden kan det komma nya överraskningar från precisionsmätningar. Men det finns inga garantier. Jonas Strandberg är ändå hoppfull.

– Vi människor är så otåliga. Vetenskapen tragglar sig fram i ett samspel mellan experiment och teori, och saker kommer att fortsätta att byggas på tills man når ett stort genombrott. Man måste tro på det man gör, och göra det bra under lång tid.

En rättelse har förts in i den här artikeln: LEP (Large electron-positron collider) är 27 kilometer i omkrets och inget annat.

Upptäck F&F:s arkiv!

Se alla utgåvor