Mens den store hadronkollideren går opp, stiger fysikernes håp


I april avfyrte forskere ved European Centre for Nuclear Research, eller CERN, utenfor Genève, igjen sin kosmiske pistol, Large Hadron Collider. Etter en treårig nedleggelse for reparasjoner og oppgraderinger, har kollideren gjenopptatt å skyte protoner – de nakne tarmene til hydrogenatomer – rundt den 17 mil lange elektromagnetiske underjordiske racerbanen. I begynnelsen av juli vil kollideren begynne å krasje disse partiklene sammen for å skape gnister av urenergi.

Og så er det store spillet med å jakte på universets hemmelighet i ferd med å være i gang igjen, midt i ny utvikling og partikkelfysikernes forfriskede håp. Allerede før oppussingen hadde kollideren produsert hint om at naturen kunne skjule noe spektakulært. Mitesh Patel, en partikkelfysiker ved Imperial College London som utfører et eksperiment ved CERN, beskrev data fra hans tidligere løp som “det mest spennende settet med resultater jeg har sett i min profesjonelle levetid.”

For et tiår siden skapte CERN-fysikere globale overskrifter med oppdagelsen av Higgs-bosonet, en lenge søkt partikkel, som gir masse til alle de andre partiklene i universet. Hva er det igjen å finne? Nesten alt, sier optimistiske fysikere.

Da CERN-kollideren først ble slått på i 2010, var universet oppe for grep. Maskinen, den største og kraftigste som noen gang er bygget, ble designet for å finne Higgs-bosonet. Den partikkelen er hjørnesteinen i standardmodellen, et sett med ligninger som forklarer alt forskere har vært i stand til å måle om den subatomære verdenen.

Men det er dypere spørsmål om universet som standardmodellen ikke forklarer: Hvor kom universet fra? Hvorfor er den laget av materie i stedet for antimaterie? Hva er den “mørk materie” som gjennomsyrer kosmos? Hvordan har selve Higgspartikkelen masse?

Fysikere håpet at noen svar ville materialisere seg i 2010 da den store kollideren først ble slått på. Ingenting dukket opp bortsett fra Higgs – spesielt ingen ny partikkel som kan forklare naturen til mørk materie. Frustrerende nok forble standardmodellen urokkelig.

Kollideren ble stengt i slutten av 2018 for omfattende oppgraderinger og reparasjoner. I henhold til gjeldende tidsplan vil kollideren kjøre til 2025 og deretter stenge i to år til for at andre omfattende oppgraderinger skal installeres. Blant dette settet med oppgraderinger er forbedringer av de gigantiske detektorene som sitter på de fire punktene der protonstrålene kolliderer og analyserer kollisjonsrester. Fra og med juli vil disse detektorene ha arbeidet sitt avskåret for dem. Protonstrålene har blitt klemt for å gjøre dem mer intense, noe som øker sjansene for at protoner kolliderer ved kryssingspunktene – men skaper forvirring for detektorene og datamaskinene i form av flere spray av partikler som må skilles fra hverandre.

“Data kommer til å komme inn i en mye raskere hastighet enn vi har vært vant til,” sa Dr. Patel. Der det en gang bare skjedde et par kollisjoner ved hver stråleovergang, ville det nå vært flere som fem.

“Det gjør livene våre vanskeligere på en måte fordi vi må være i stand til å finne tingene vi er interessert i blant alle de forskjellige interaksjonene,” sa han. “Men det betyr at det er større sannsynlighet for å se det du leter etter.”

I mellomtiden har en rekke eksperimenter avslørt mulige sprekker i standardmodellen – og har antydet en bredere, mer dyptgripende teori om universet. Disse resultatene involverer sjelden oppførsel av subatomære partikler hvis navn er ukjent for de fleste av oss i de kosmiske tribunene.

Ta myonen, en subatomær partikkel som ble kort kjent i fjor. Myoner omtales ofte som fettelektroner; de har samme negative elektriske ladning, men er 207 ganger så massive. “Hvem bestilte det?” sa fysikeren Isador Rabi da myoner ble oppdaget i 1936.

Ingen vet hvor myoner passer inn i den store ordningen. De er skapt av kosmiske strålekollisjoner – og i kolliderende hendelser – og de forfaller radioaktivt i mikrosekunder til et brus av elektroner og spøkelsesaktige partiklene som kalles nøytrinoer.

I fjor rapporterte et team på rundt 200 fysikere tilknyttet Fermi National Accelerator Laboratory i Illinois at myoner som snurret i et magnetfelt hadde vinglet betydelig raskere enn forutsagt av standardmodellen.

Avviket med teoretiske spådommer kom på åttende desimal av verdien til en parameter kalt g-2, som beskrev hvordan partikkelen reagerer på et magnetfelt.

Forskere tilskrev den brøkdel, men reelle forskjellen til kvanteviskingen til ennå ukjente partikler som ville materialisere seg kort rundt myonen og ville påvirke dens egenskaper. Å bekrefte eksistensen av partiklene ville til slutt bryte standardmodellen.

Men to grupper teoretikere jobber fortsatt med å forene sine spådommer om hva g-2 bør være, mens de venter på mer data fra Fermilab-eksperimentet.

“G-2-anomalien er fortsatt veldig levende,” sa Aida X. El-Khadra, en fysiker ved University of Illinois som hjalp til med å lede en treårig innsats kalt Muon g-2 Theory Initiative for å etablere en konsensusprediksjon. “Personlig er jeg optimistisk at sprekkene i standardmodellen vil utgjøre et jordskjelv. Imidlertid kan den nøyaktige plasseringen av sprekkene fortsatt være et bevegelig mål.»

Myonen figurerer også i en annen anomali. Hovedpersonen, eller kanskje skurken, i dette dramaet er en partikkel kalt en B-kvark, en av seks varianter av kvark som består av tyngre partikler som protoner og nøytroner. B står for bunn eller kanskje skjønnhet. Slike kvarker forekommer i to-kvark-partikler kjent som B-mesoner. Men disse kvarkene er ustabile og er tilbøyelige til å falle fra hverandre på måter som ser ut til å bryte med standardmodellen.

Noen sjeldne forfall av en B-kvark involverer en serie av reaksjoner, som ender i en annen, lettere type kvark og et par lette partikler kalt leptoner, enten elektroner eller deres fyldige fettere, myoner. Standardmodellen hevder at det er like sannsynlig at elektroner og myoner vises i denne reaksjonen. (Det finnes et tredje, tyngre lepton kalt tau, men det forfaller for raskt til å kunne observeres.) Men Dr. Patel og hans kolleger har funnet flere elektronpar enn myonpar, noe som bryter med et prinsipp som kalles leptonuniversalitet.

“Dette kan være en standardmodellmorder,” sa Dr. Patel, hvis team har undersøkt B-kvarkene med en av Large Hadron Colliders store detektorer, LHCb. Denne anomalien, som myonens magnetiske anomali, antyder en ukjent “påvirker” – en partikkel eller kraft som forstyrrer reaksjonen.

En av de mest dramatiske mulighetene, hvis disse dataene holder stand i den kommende kollideren, sier Dr. Patel, er en subatomisk spekulasjon kalt en leptoquark. Hvis partikkelen eksisterer, kan den bygge bro mellom to klasser av partikler som utgjør det materielle universet: lette leptoner – elektroner, myoner og også nøytrinoer – og tyngre partikler som protoner og nøytroner, som er laget av kvarker. Det er fristende nok seks typer kvarker og seks typer leptoner.

“Vi går inn i dette løpet med mer optimisme om at det kan komme en revolusjon,” sa Dr. Patel. “Fingrene krysset.”

Det er enda en partikkel i denne dyrehagen som oppfører seg merkelig: W-bosonet, som formidler den såkalte svake kraften som er ansvarlig for radioaktivt forfall. I mai, fysikere med Collider Detector på Fermilab, eller CDF, rapporterte om en 10-årig innsats for å måle massen til denne partikkelenbasert på rundt 4 millioner W-bosoner høstet fra kollisjoner i Fermilabs Tevatron, som var verdens kraftigste kolliderer inntil Large Hadron Collider ble bygget.

I følge standardmodellen og tidligere massemålinger skal W-bosonet veie omtrent 80,357 milliarder elektronvolt, enheten for masse-energi som fysikere favoriserer. Til sammenligning veier Higgs-bosonet 125 milliarder elektronvolt, omtrent like mye som et jodatom. Men CDF-målingen av W, den mest nøyaktige som noen gang er gjort, kom inn høyere enn spådd på 80,433 milliarder. Eksperimentørene beregnet at det bare var én sjanse på 2 billioner – 7-sigma, i fysikksjargong – at dette avviket var et statistisk innslag.

Massen til W-bosonet er knyttet til massene av andre partikler, inkludert den beryktede Higgs. Så dette nye avviket, hvis det holder, kan være nok en sprekk i standardmodellen.

Likevel kan alle tre anomaliene og teoretikernes håp om en revolusjon forsvinne med mer data. Men for optimister peker alle tre i samme oppmuntrende retning mot skjulte partikler eller krefter som forstyrrer «kjent» fysikk.

“Så en ny partikkel som kan forklare både g-2 og W-massen kan være innen rekkevidde ved LHC,” sa Kyle Cranmer, en fysiker ved University of Wisconsin som jobber med andre eksperimenter ved CERN.

John Ellis, en teoretiker ved CERN og Kings College London, bemerket at minst 70 artikler har blitt publisert som foreslår forklaringer på det nye W-masseavviket.

“Mange av disse forklaringene krever også nye partikler som kan være tilgjengelige for LHC,” sa han. «Nevnte jeg mørk materie? Så, mange ting å passe på!»

Om det kommende løpet sa Dr. Patel: «Det blir spennende. Det blir hardt arbeid, men vi er veldig opptatt av å se hva vi har og om det er noe genuint spennende i dataene.»

Han la til: “Du kan gå gjennom en vitenskapelig karriere og ikke være i stand til å si det en gang. Så det føles som et privilegium.”