Fysikere kan have opdaget 'New Force of Nature' i LHC-eksperiment

Visualisering af et LHCb eksperiment. (CERN)

Large Hadron Collider (LHC) vakte verdensomspændende begejstring i marts, da partikelfysikere rapporterede fristende beviser for ny fysik – potentielt en ny naturkraft.

Nu, vores nye resultat , der endnu ikke er blevet peer reviewet, fra CERNs gigantiske partikelkollider, synes at tilføje yderligere støtte til ideen.

Vores nuværende bedste teori om partikler og kræfter er kendt som standard model , som beskriver alt, hvad vi ved om de fysiske ting, der udgør verden omkring os med usvigelig nøjagtighed.



Det standard model er uden tvivl den mest succesrige videnskabelige teori, der nogensinde er skrevet ned, og alligevel ved vi, at den må være ufuldstændig.

Berømt beskriver den kun tre af de fire grundlæggende kræfter – den elektromagnetiske kraft og stærke og svage kræfter, der udelader tyngdekraften. Det har ingen forklaring på mørkt stof at astronomi fortæller os dominerer universet og ikke kan forklare hvordan materien overlevede under Stort brag .

LHCb eksperiment. (CERN)

De fleste fysikere er derfor overbeviste om, at der skal være flere kosmiske ingredienser, der endnu ikke er opdaget, og at studere en række fundamentale partikler kendt som skønhedskvarker er en særlig lovende måde at få hints om, hvad der ellers kan være derude.

Skønhedskvarker, nogle gange kaldet bundkvarker, er fundamentale partikler , som igen udgør større partikler. Der er seks varianter af kvarker, der er dubbet op, ned, mærkelig, charme, skønhed/bund og sandhed/top. Op- og ned-kvarker udgør for eksempel protonerne og neutronerne i atomkernen.

Skønhedskvarker er ustabile og lever i gennemsnit kun omkring 1,5 billiontedele af et sekund, før de forfalder til andre partikler. Den måde, hvorpå skønhedskvarker henfalder, kan være stærkt påvirket af eksistensen af ​​andre fundamentale partikler eller kræfter.

Når en skønhedskvark henfalder, forvandles den til et sæt lettere partikler, såsom elektroner, gennem påvirkning af den svage kraft. En af måderne, hvorpå en ny naturkraft kan gøre sig kendt for os, er ved subtilt at ændre, hvor ofte skønhedskvarker henfalder til forskellige typer partikler.

Marts-avisen var baseret på data fra LHCb-eksperimentet, en af ​​fire gigantiske partikeldetektorer, der registrerer resultatet af de ultrahøjenergi-kollisioner produceret af LHC. ('b'et' i LHCb står for 'skønhed'.)

Den fandt ud af, at skønhedskvarker henfaldt til elektroner, og deres tungere fætre kaldes muoner med forskellige hastigheder. Dette var virkelig overraskende, fordi ifølge standardmodellen, myonen er dybest set en carbonkopi af elektronen - identisk på alle måder bortset fra at være omkring 200 gange tungere.

Det betyder, at alle kræfterne skal trække på elektroner og myoner med samme styrke – når en skønhedskvark henfalder til elektroner eller myoner via den svage kraft, burde den gøre det lige ofte.

I stedet fandt mine kolleger ud af, at myonhenfaldet kun fandt sted omkring 85 procent så ofte som elektronhenfaldet. Hvis man antager, at resultatet er korrekt, ville den eneste måde at forklare en sådan effekt på være, hvis en ny naturkraft, der trækker på elektroner og myoner forskelligt, forstyrrer, hvordan skønhedskvarker henfalder.

Resultatet vakte enorm begejstring blandt partikelfysikere. Vi har ledt efter tegn på noget ud over standardmodellen i årtier, og på trods af ti års arbejde på LHC er der indtil videre ikke fundet noget afgørende.

Så at opdage en ny naturkraft ville være en kæmpe sag og kunne endelig åbne døren til at besvare nogle af de dybeste mysterier, moderne videnskab står over for.

Nye resultater

Selvom resultatet var fristende, var det ikke afgørende. Alle målinger kommer med en vis grad af usikkerhed eller 'fejl'. I dette tilfælde var der kun omkring en ud af 1.000 chance for, at resultatet var nede på en tilfældig statistisk slingre – eller 'tre sigma', som vi siger på partikelfysisk sprogbrug.

En ud af 1.000 lyder måske ikke af meget, men vi laver et meget stort antal målinger i partikelfysik, og så du kan forvente, at en lille håndfuld tilfældigt kaster afvigere op.

For at være virkelig sikre på, at effekten er reel, skal vi nå fem sigma – svarende til mindre end en ud af en million chance for, at effekten er nede på et grusomt statistisk lykketræf.

For at nå dertil skal vi reducere størrelsen af ​​fejlen, og for at gøre dette har vi brug for flere data. En måde at opnå dette på er simpelthen at køre eksperimentet i længere tid og registrere flere henfald.

LHCb-eksperimentet er pt bliver opgraderet at kunne registrere kollisioner med en meget højere hastighed i fremtiden, hvilket vil give os mulighed for at foretage meget mere præcise målinger. Men vi kan også få nyttig information ud af de data, vi allerede har registreret, ved at lede efter lignende typer henfald, som er sværere at få øje på.

Det er, hvad mine kolleger og jeg har gjort. Strengt taget studerer vi faktisk aldrig skønhedskvarker henfald direkte, da alle kvarker altid er bundet sammen med andre kvarker for at lave større partikler.

Marts undersøgelsen så på skønhedskvarker, der var parret med 'op' kvarker. Vores resultat undersøgte to henfald: et hvor skønhedskvarkerne, der var parret med 'down'-kvarker, og et andet hvor de også blev parret med op-kvarker.

At parringen er anderledes burde dog ikke betyde noget – det forfald, der foregår inderst inde, er det samme, og så vi ville forvente at se den samme effekt, hvis der virkelig er en ny kraft derude.

Og det er præcis, hvad vi har set. Denne gang skete myonhenfald kun omkring 70 procent så ofte som elektronen henfalder, men med en større fejl, hvilket betyder, at resultatet er omkring 'to sigma' fra standardmodellen (omkring en to ud af hundrede chance for at være en statistisk anomali).

Dette betyder, at selvom resultatet ikke er præcist nok i sig selv til at hævde solide beviser for en ny kraft, stemmer det meget tæt overens med det tidligere resultat og tilføjer yderligere støtte til ideen om, at vi kan være på randen af ​​en større bryde igennem.

Selvfølgelig skal vi være forsigtige. Der er et stykke vej endnu, før vi med en vis grad af sikkerhed kan hævde, at vi virkelig ser indflydelsen fra en femte naturkraft.

Mine kolleger arbejder i øjeblikket hårdt på at presse så meget information som muligt ud af de eksisterende data, mens de er travlt med at forberede den første kørsel af det opgraderede LHCb-eksperiment.

I mellemtiden, andre eksperimenter på LHC, såvel som på Belle 2-eksperiment i Japan , nærmer sig de samme mål. Det er spændende at tænke på, at der i løbet af de næste par måneder eller år kan åbnes et nyt vindue på de mest grundlæggende ingredienser i vores univers.

Harry Cliff , partikelfysiker, University of Cambridge .

Denne artikel er genudgivet fra Samtalen under en Creative Commons-licens. Læs original artikel .

Populære Kategorier: Forklarer , Ukategoriseret , Tech , Fysik , Sundhed , Plads , Mennesker , Miljø , Samfund , Natur ,

Om Os

Offentliggørelse Af Uafhængige, Beviste Fakta Om Rapporter Om Sundhed, Rum, Natur, Teknologi Og Miljøet.