Duke fysikkprofessor Ashutosh Kotwal ber alltid studentene sine om å jobbe gjennom problemsett uavhengig før de rådfører seg med klassekamerater.
“Hvis du diskuterer for mye med hverandre helt fra begynnelsen, kan du ende opp med å reprodusere andres tanker,” sier han. «Ta ditt beste skudd og se hvor langt du kan gå. Når du kommer til slutten, så – og først da – kom sammen med kollegene dine og sammenlign.»
Som forskere bruker Kotwal og hans kolleger denne samme metodikken. Uavhengige team av forskere takler de samme grunnleggende problemene ved å bruke distinkte detektorer og teknikker. Først etter å ha foretatt målingene sine sammenligner fysikerne metodikken og resultatene deres med de fra andre eksperimenter.
Men i motsetning til Kotwals elever, står ikke det riktige svaret bakerst i en bok.
“Vi søker etter fakta med så mye strenghet vi kan,” sier Kotwal. “Jeg tror at spenningen ved å finne ut av noe er nesten like mye som hva svaret vil være.”
Kotwal jobber med CDF-eksperimentet ved det amerikanske energidepartementets Fermi National Accelerator Laboratory. I de siste 27 årene har han og kollegene jobbet med å måle massen til W-bosonet, en grunnleggende partikkel som er ansvarlig for kjernefysisk fusjon og forfall. De publiserte sin siste måling i tidsskriftet Vitenskap i April.
Siden W-bosonet ble oppdaget i 1983, har fysikere på åtte forskjellige eksperimenter målt massen totalt 10 ganger. Annenhver gang har målingen passet innenfor området som er forutsagt av standardmodellen. Men denne gangen, til alles overraskelse, gjorde den det ikke; den kom inn høyere enn forventet.
“Vi visste at CDF jobbet med dette,” sier Mika Vesterinen, en forsker ved University of Warwick. “Vi kunne ekstrapolere fra deres forrige måling i 2012 og gjette hva usikkerheten kom til å bli. Men den sentrale verdien var et fullstendig sjokk. Det hadde vi ikke forventet.”
Teoretikere publiserte umiddelbart dusinvis av artikler som spekulerte i hvilken ny fysikk som kunne styrke W-bosonets masse. “Det er ikke i samsvar med teorien, så noe må være galt,” sier Matthias Schott, en eksperimentell fysiker og professor ved Johannes Gutenberg University Mainz. “Enten er teorien vår feil, eller så er målingen feil.”
En balansegang
I astronomi påvirker massene og bevegelsene til forskjellige himmellegemer hverandre. Disse forbindelsene lar forskere bruke målingene de kjenner til å løse for de de ikke gjør. Forstyrrelser i Uranus’ bane, for eksempel, tillot forskerne å anta eksistensen av Neptun lenge før de var i stand til å se den med et teleskop.
Fundamentale partikler deltar i en lignende balansegang, hvis regler er skissert av standardmodellen, den beste beskrivelsen forskerne har av den subatomære verdenen. Jo bedre forskerne forstår en partikkel, jo bedre kan de estimere egenskapene til andre.
Schott husker at han brukte dette prinsippet på sitt arbeid som ATLAS-stipendiat ved CERN kort tid før oppstarten av Large Hadron Collider. “Før oppdagelsen av Higgs-bosonet brukte vi W-bosonmassen for å begrense rekkevidden der Higgs-bosonet kunne være,” sier Schott.
Etter at Higgs-bosonet ble oppdaget, kjørte forskerne likningene i revers for å forutsi massen til W-bosonet mer nøyaktig. “Da vi oppdaget Higgs i 2012, endret det spillet,” sier han. “Standardmodellen kan forutsi W-bosonmassen med utrolig presisjon. Du måler flere mengder – hvorav en er Higgs-bosonet – setter dem inn i en stor formel, og du får tilbake den forutsagte W-bosonmassen.”
Ifølge Schott, hvis den nye CDF-målingen er riktig, betyr det at noe må mangle i teorien. “Det ville bety at vi glemte noe i spådommen,” sier han. “Det ville trenge ny fysikk.”
Imidlertid har forskere fortsatt mer å undersøke før de antar at det er tilfelle. Mens mange målinger i fysikk stemmer overens, er det ikke uvanlig at resultatene fra forskjellige eksperimenter er uenige.
Massen til W-bosonet har vært spesielt gåtefull fordi W-bosonene er notorisk vanskelige å måle.
“Det var toppen av CDF- og DZero-programmene.”
Det beste av det beste
Som doktorgradsstudent basert på Fermilab på slutten av 2000-tallet, ble Vesterinen betatt av kompleksiteten til W-bosonmassemålingene. “Det var toppen av CDF- og DZero-programmene,” sier Vesterinen. “Jeg så med ærefrykt på disse målingene.”
Et tiår senere bestemte han seg for å takle den samme målingen på LHCb-eksperimentet.
W-bosoner, som de fleste tunge fundamentale partikler, er så kortlivede at forskere aldri vil se dem direkte. I stedet fanger forskere W-bosonets forfallsprodukter og måler deres momenta.
“Vi vet fra Newtons tredje lov at impulsen til den opprinnelige partikkelen må være lik impulsen til de andre partiklene den forfaller til,” sier Kotwal.
Forskere kjenner allerede massen til forfallsproduktene, så ved å bruke teoremene om energi- og momentumbevaring, kan de finne ut massen til foreldrepartikkelen ved å måle energien og banen til sekundærpartiklene.
Det som gjør W-bosonmassemålingen så vanskelig er at bare halvparten av biproduktene er synlige. “W bosoner forfaller til et nøytrino ledsaget av et elektron eller en myon,” sier Kotwal. “Vi kan ikke måle nøytrinoer. Det kaster umiddelbart inn en enorm apenøkkel.»
Nøytrinoer er spøkelsesaktige partikler som sjelden samhandler med vanlig materie. Å se en nøytrino fra et W-boson i en kolliderdetektor er fysisk umulig.
“I algebra på videregående lærer vi at det ikke er mulig å løse en ligning med to ukjente,” sier Kotwal. “Å prøve å finne ut momenta til W-bosonene før de forfaller er ikke trivielt.”
Hvordan de gjorde det
Fordi halvparten av W-bosonnedbrytningsproduktene er usynlige, måtte forskerne sørge for at det de kunne måle var så nøyaktig som mulig. Ifølge Kotwal er en måling bare så god som verktøyene dine.
“Hvis jeg prøver å måle høyden din med en hagepinne, kan jeg kanskje komme ned til millimeternivået,” sier han. “Men hvordan vet jeg om stokken min er nøyaktig?”
Før de forsøkte W-bosonmassemålingen, kalibrerte Kotwal og hans kolleger detektoren ved å gå tilbake til det grunnleggende. De målte massen til en partikkel de allerede kjente ekstremt godt på nytt: J/psi-partikkelen, som ble oppdaget i 1974 og består av to bundne sjarmkvarker. Når de hadde bekreftet J/psi-massen på nytt, brukte de den til å måle massen til en annen godt forstått komposittpartikkel, Upsilon, som består av to bundne bunnkvarker. Til slutt brukte de begge målingene for å måle massen til Z-bosonet, en nær fetter til W-bosonet.
“Vi brukte den første for å få den andre, så den første og den andre for å få den tredje, og til slutt alle tre for å få W-bosonmassen,” sier Kotwal. “Å gjøre det på denne måten bygger inn konsistens- og nøyaktighetssjekker. Det tvinger deg til å granske hvert trinn.”
Hver minste detalj betyr noe, sier Vesterinen. “For eksempel, hvis vi forskjøv LHCb-detektoren med bredden til et menneskehår, ville vi forskjøvet W-bosonmassen med 50 [million electronvolts].”
I tillegg til å kalibrere detektoren, trengte forskere å avdekke hva som skjer når W-bosonene produseres inne i kollideren deres.
“W-bosoner produseres fra kollisjonen mellom kvarker og antikvarker,” sier Kotwal. “Disse beveger seg veldig raskt, og derfor beveger hvert W-boson seg veldig raskt. Vi måtte finne ut hvor raskt den beveget seg og i hvilken retning. Dette er kjernen i alle tilleggskomplikasjonene som dukker opp.»
For å estimere hvor raskt hvert W-boson beveget seg før det forfalt, brukte forskere all tilgjengelig informasjon om akseleratoren, strukturen til protonet (og anti-protonet), teorien om kollisjoner og en rekke andre målinger fra detektoren deres. På denne måten kunne de zoome inn på W-bosonenes hastigheter fra utsiden og inn.
Alt arbeidet lønnet seg: Den nye CDF-målingen er den mest presise målingen av W-bosonet til nå. “Den nye målingen med CDF er virkelig spektakulær når det gjelder presisjon,” sier Schott. “Fra et kalibreringssynspunkt er det virkelig vakkert.”
Derimot, mest presise betyr ikke nødvendigvis mest nøyaktige. Vesterinen sammenligner det med å skyte bøyler i basketball. “Høy presisjon betyr at du alltid kaster ballen til samme sted,” sier Vesterinen. “Men du kan fortsatt savne nettet.”
Før de omskriver fysikkens lover, leter det vitenskapelige samfunnet etter en alternativ forklaring på hvorfor denne nye målingen er så forskjellig fra hva standardmodellen forutsier.
Illustrasjon av Sandbox Studio, Chicago med Olena Shmahalo
Oppskrift på suksess
Ingen av de 10 målingene forskerne har gjort av W-bosonmassen har vært like. Dette overrasker ikke Kotwal, som sammenligner å måle massen til en partikkel med å tilberede favorittretten hans, thailandsk rød karri.
“Det er akkurat den rette mengden krydder og ferske grønnsaker,” sier han. “Men hver restaurant gjør det litt annerledes.”
Selv om ingrediensene og grunnleggende prinsipper er de samme, kan små forskjeller akkumuleres til merkbare avvik. «Det kan være at en restaurant fikk ingefæren sin fra denne åkeren, og en annen restaurant fikk sin ingefær fra denne andre åkeren med litt forskjellig jordsmonn. Hva er den beste ingefæren å bruke?” sier Kotwal. “Det er sånn med fysikk, bortsett fra oss er det ikke subjektivt – det er et riktig svar.”
Ifølge Vesterinen er neste steg å undersøke ingrediensene som gikk inn i CDF-analysen og deretter se hva som kommer ut av LHC.
– Dette vil ikke løses på kort sikt, sier Vesterinen. “Det har krevd en enorm innsats fra folk som jobber på CDF for å produsere dette nye resultatet. Å måle W-bosonmassen er absolutt en prioritet ved LHC.»