Elementærpartiklenes fjerne slektninger

Det vi kaller «Standardmodellen» innenfor fysikken er den foreløpig beste modellen vi har for å beskrive elementærpartikler og hvordan de interagerer med hverandre.

Hele Standardmodellen kan faktisk enkelt skrives ned om du har en A4-side tilgjengelig, selv om den gjerne oppsummeres mer kompakt med fire enkle linjer.

Forskere har i flere tiår testet standardmodellen opp, ned og i mente, og eksperimentene viser en god overensstemmelse med teorien. Likevel er det flere spørsmål som står ubesvart.

Les mer om grensesprengende fysikk her: – Som å kollidere to nåler på ti kilometers avstand.

Mørk-materie-mysterie

Doktorgradsstudent Eli Bæverfjord Rye ved UiO forklarer at ett slikt spørsmål dreier seg om mørk materie. Per i dag tror man at det finnes fem ganger så mye mørk materie som vanlig materie i vårt univers. Det interagerer ikke med lys, derav tilnavnet «mørk», men påvirker likevel andre partikler gjennom tyngdekraften, forteller hun.

– Ingen av partiklene som beskrives av Standardmodellen passer disse kriteriene, et tydelig tegn på at det må finnes mer.

Et annet eksempel er Higgs-bosonet. Partikkelen, som bidrar til å gi andre partikler masse, ble oppdaget i 2012 ved mye lavere energier enn det Standardmodellen forutså. Bæverfjord Rye påpeker at energi og masse er to sider av samme mynt, slik at det kreves mye energi å danne tunge partikler.

Standardmodellen tilsier at Higgs-bosonet burde være omtrent søtten størrelsesordener tyngre enn det er. Å få modellens prediksjon til å faktisk stemme med den observerte Higgs-massen krever en enormt presis justering av parametrene i modellen. I fysiske modeller kan dette være et tegn på mangler ved teorien som ofte oppdages senere.

Dette er to av mange eksempler som peker mot at Standardmodellen, som ble fullendt ved funnet av Higgs-bosonet, ikke er hele historien. Noe mangler, og det er der supersymmetri kommer inn.

Spartikkel-løsningen

Supersymmetri, eller «Susy» blant venner, er en populær teoretisk utvidelse av Standardmodellen. Den foreslår at det for enhver partikkel finnes en supersymmetrisk partner, en «spartikkel» om du vil. Det er vel liten tvil om at forskeres lidenskap tidvis overgår fornuften i navneprosessen.

– Elektronet har «selektronet», nøytrinoet har «snøytrinoet» og kvarken har «skvarken». Her er nok snøytrinoet mitt favorittnavn, sier Bæverfjord Rye.

Hun forklarer at hvis teorien kan påvises, vil den kunne løse flere problemer med Standardmodellen, blant annet spørsmålet om mørk materie. Noen av de supersymmetriske partiklene har nemlig potensiale for å oppfylle kriteriene som mørk materie må oppfylle.

– Nøytralinoet er den letteste av de teoretiske supersymmetriske partiklene og en god kandidat for mørk materie, sier Bæverfjord Rye.

Om nøytralinoet eksisterer så vil det kun interagere svakt med andre partikler. Det må i tillegg være stabilt, det vil si at det ikke henfaller til andre partikler, om det skal passe kriteriene for mørk materie.

Kommentar: - Et forsvar av Ex on the beach.

Brutt symmetri

Dersom supersymmetri var en fullkommen symmetri i naturen, så skulle de nye supersymmetriske partiklene hatt nøyaktig samme masser som de kjente partiklene i Standardmodellen. Sånn er det ikke, og det er her en komplisert teori blir enda mer komplisert.

Forskerne ved CERN benytter partikkelakseleratoren Large Hadron Collider (LHC) til å observere dannelsen av nye partikler ved høye energier. Dette gjør de ved å kollidere partikler mot hverandre i nær lysets hastighet. Postdoktor Anders Kvellestad ved UiO fortellerat dersom de supersymmetriske partiklene faktisk hadde samme masse som de kjente partiklene, så ville vi observert dem for lenge siden. Symmetrien er altså ikke fullkommen.

– Vi ser det også med andre teoretisk symmetriske modeller at symmetrien brytes. Ett eksempel er Newtons tyngdelov, som predikerer at månens bane rundt jorden skal være sirkulær i sin symmetri. I virkeligheten er den elliptisk.

Videre forklarer han at problemet med en brutt symmetri er at desto større bruddet er, desto færre problemer med Standardmodellen løser teorien. Det vil si at vi kommer til et punkt der masseforskjellen mellom en partikkel og dens supersymmetriske partner blir for stor, og teorien mister drakraft.

Det punktet er ikke kommet enda, og forskerne forholder seg håpefulle. Bæverfjord Rye er selv sterkt dedikert til teorien, og mener den kan være det neste steget etter Standardmodellen.

– Om vi finner supersymmetri, nå eller ved høyere energier, så har vi kommet jævlig langt.

Synes du dette kanskje var litt vanskelig? Gjærbakst er mye lettere, og da blir bestemor fornøyd.