Avgörande stund för partikelfysik
Partikelfysiken kan förklara stora delar av världsalltets uppbyggnad. Men det finns några grundläggande luckor. skulle kunna ge TEORIN OM SUPERSYMMETRI efterlängtade svar –men stämmer den? Och hur ska forskarna annars gå vidare?
Partikelfysikens standardmodell har sett i stort sett likadan ut i decennier, och den är frustrerande framgångsrik. Varje experiment bekräftar att standardmodellen stämmer, och precisionen i mätningarna ökar hela tiden. Alla partiklar och krafter som standardmodellen beskriver har hittats – och de uppför sig som förväntat.
Samtidigt finns en rad olika frågor som standardmodellen inte klarar av att besvara. Universum tycks till exempel innehålla fem gånger mer massa i form av en okänd mörk materia än i form av vanliga atomer. Vad består den av? Och varför finns det något i stället för ingenting? I alla kända processer bildas materia och antimateria i samma mängd, som förintar varandra så snart de kommer i kontakt. Okänd fysik måste därför ha skapat en obalans mellan materia och antimateria vid universums första början. Annars skulle ingenting kunna existera. Fysiker undrar också varför partiklarna har just de laddningar och massor som de har. Och hur är det egentligen med gravitationen? Standardmodellen förklarar alla grundläggande krafter, förutom just gravitationen.
Partikelfysikerna vet alltså att något saknas. Därför söker de med alla till buds stående medel efter fysik bortom standardmodellen.
– Det vi letar efter är en spricka i väggen. Standardmodellen är inte den slutliga teorin, säger Tord Ekelöf, professor emeritus i partikelfysik vid Uppsala universitet.
En framgångsrik metod inom fysiken har varit att leta efter symmetrier (se F&F 6/2017). En symmetri kan beskrivas som ”en förändring som inte gör någon skillnad”, för att använda en formulering från Nobelpristagaren Frank Wilczek. Siffran 8 är till exempel spegelsymmetrisk, eftersom den ser likadan ut om den spegelvänds. Inom fysiken kan man undersöka ifall saker ser likadana ut om tiden byter riktning, eller om laddningar byter tecken, och så vidare.
På det här viset listade till exempel fysiker på 1960-talet ut att kvarkar måste finnas, eftersom de såg mönster och symmetrier bland egenskaperna hos de många förbryllande partiklar som då upptäcktes på löpande band. Ett stort zoo av partiklar kunde förenklas till den enkla tabell som sammanfattar partikelfysikens standardmodell (se grafik). Den sista av dessa kvarkar, toppkvarken, förutsågs 1973 men kunde observeras i experiment först 1995. Supersymmetrin är en form av symmetri som finns i vissa former av strängteori, där de fundamentala byggstenarna är små vibrerande strängar. Supersymmetrin får till effekt att alla partiklar har en ännu oupptäckt partnerpartikel. Partikeln och dess superpartner skiljer sig åt i den partikelegenskap som kallas spinn. Materiens partiklar har spinn 1/2, medan de partiklar som står för överföring av kraft har spinn 1 och Higgspartikeln har spinn 0. Supersymmetrin ger varje partikel med heltalsspinn en superpartner med halvtaligt spinn, och omvänt.
Egentligen är supersymmetrin inte en enda modell, utan en hel familj av modeller där de supersymmetriska partiklarna kan ha olika massor och egenskaper. Ingen vet vilken form av supersymmetri som i så fall stämmer, om ens någon. Det alla är överens om är att det måste finnas något mer än de partiklar och krafter som hittills har ringats in av forskningen. Kanske kan detta något vara supersymmetrin. Men för att se om det är så, måste partikelfysikerna hitta någon av de partiklar som supersymmetrin förutsäger.
Fysikern och Nobelpristagaren Frank Wilczek sa sig 2013 vara säker på att en typ av supersymmetriska partiklar skulle upptäckas inom några år i experimenten vid den stora partikelacceleratorn LHC i Schweiz. Tord Ekelöf reagerade på den tvärsäkra förutsägelsen och slog vad om motsatsen. Deras partikelvad är dokumenterat på en handskriven lapp,
daterad 25 januari 2013. Vinnaren får 100 Nobelmedaljer av choklad.
Hittills har ingen sett en skymt av de nya partiklarna och partikelfysikerna börjar allt mer se sig om efter nya spår att följa. – En viss pessimism har brutit ut, säger Tord Ekelöf. För hans del betyder det i alla fall att han troligen kommer att vinna vadslagningen i slutet av 2019.
Frank Wilczek är inte heller så optimistisk när det gäller själva vadet, med tanke på att LHC är avstängd för underhåll och uppgradering till och med år 2020, vilket innebär att det inte kommer fram några nya data innan vadslagningstiden går ut. Det finns i och för sig en del analyser kvar att göra av de mätningar som redan har samlats in, men få verkar på allvar tro att det fortfarande gömmer sig några stora överraskningar där.
Frank Wilzcek håller ändå fast vid supersymmetrin, oavsett hur det går med vadet:
– Jag tror fortfarande på den underliggande teorin, som är mycket lovande.
Supersymmetrin erbjuder lösningar på några av partikelfysikens återstående gåtor. En av de supersymmetriska partiklarna är till exempel en perfekt kandidat för universums mörka materia.
Superpartiklarna är förmodligen instabila och sönderfaller till vanliga partiklar. Men i vissa varianter av supersymmetrin är den lättaste supersymmetriska partikeln stabil och finns i rymden runt omkring oss. Det passar precis in på beskrivningen av den hypotes för mörk materia som kallas för wimp – weakly interacting massive particle. Den har massa och saknar elektrisk laddning och växelverkar endast mycket svagt med vanlig materia.
Tidigare talade man till och med om wimp-miraklet – att allt skulle passa så perfekt ihop i teorin om den okända partikeln hade en massa kring 100 GEV (ungefär 100 gånger så tung som en proton). Men så bra tycks verkligheten inte vara, för inget av försöken att hitta en sådan partikel har gett resultat.
En som har sett supersymmetrins popularitet stiga och sjunka är Joakim Edsjö, som är teoretisk partikelfysiker vid Stockholms universitet. Han har arbetat länge med att beräkna egenskaper för den mörka materien, så att andra forskare ska veta vad de ska söka efter i sina experiment.
– Från början var vårt verktyg bara gjort för supersymmetri, men nu har vi byggt moduler för annan fysik, säger han.
Fortfarande är de flesta av deras beräkningar inriktade på supersymmetri. Men sökandet efter mörk materia har förfinats så mycket att de mest lovande typerna av wimp har uteslutits ganska övertygande. Intresset för supersymmetriska partiklar har sjunkit ordentligt, det märks.
– När man går på konferens och någon pratar om supersymmetri måste de nästan ursäkta sig lite, säger Joakim Edsjö.
Supersymmetrin är dock långt ifrån att vara helt avfärdad. Vissa varianter av supersymmetri har uteslutits, men inte alla.
–Det finns många supersymmetri varianter som vi fortfarandes kul lekunna hitta, säger Sara Strandberg, som leder en forskargrupp som gör experiment vid LHC.
Vid LHC söker forskare efter nya partiklar genom att studera vad som händer när protoner accelereras till enorma hastigheter och sedan kolliderar med varandra. Vid kollisionen frigörs energi som ger upphov till nya partiklar. Många av dessa sönderfaller omedelbart och lämnar efter sig fragment i form av mer långlivade partikelslag. Genom att studera partikelspårens mönster kan forskarna utläsa vad som hände i krocken, och vilka egenskaper partiklarna som bildades hade. Men sedan Higgspartikeln upptäcktes 2012 har inte en skymt av någon ny partikel synts till.
Enligt Sara Strandberg är supersymmetrin användbar som verktyg för att leta igenom de enorma mängder mätdata som forskarna får ut ur experimenten, just eftersom den har så många varianter. Analyserna bygger på att välja ut olika kombinationer av partikelslag och energier som mäts upp i experimenten. Från teorin hämtar fysikerna information om vilka spår en ny partikel skulle lämna efter sig, och sedan kammar de igenom sina data för att se om dessa spår finns där.
– I supersymmetrin har man så att säga väldigt många olika rattar att snurra på, man kan få många olika sluttillstånd. Genom att titta efter dem kan man vara känslig även för andra modeller än dem man letar efter.
Sökandet fortsätter alltså. Många av de forskare som har investerat tid och prestige i supersymmetrin håller hoppet uppe.
– Det finns goda indirekta bevis på någon form av supersymmetri, säger Frank Wilczek.
Han pekar på en beräkning som han själv gjorde tillsammans med två kolleger i början av 1980-talet. Det handlar om något som kallas förkopplings konstanter, som avgör styrkan ide olika fundamentala krafterna. Den starka kärnkraft e närmycket starkare änden elektromagnetiska kraften, som i sin tur är starkare än den svaga kraften.
Kopplings konstanterna varierar beroende på den energis om är inblandad. Högre energier i partikelfysiken motsvarar kortare avstånd. Den starka kärnkraften som håller ihop kvarkarna i atomkärnornas protoner och neutroner blir svagare ju närmare varandra partiklarna kommer. Detta kallas ”asymptotisk frihet”, och det är för den upptäckten som Frank Wilczek år 2004 belönades med ett Nobelpris i fysik. Man brukar likna effekten
vid ett gummiband – när kvarkarna rör sig längre från varandra spänns gummibandet och vill dra dem tillbaka, men när de är nära varandra är gummibandet slappt och kvarkarna uppför sig som om de vore helt fria partiklar.
Den svaga kärnkraften fungerar tvärtom, den blir starkare vid högre energier när partiklar kommer närmare varandra. Den elektromagnetiska kraften likaså.
I ett diagram över hur konstanterna ändras med energin ser det ut som om linjerna kommer att korsa varandra vid höga energier – men inte så att alla tre möts i samma punkt. Med supersymmetrin blir det dock mycket elegantare, för om den räknas in möts alla konstanter och får exakt samma styrka vid samma energi. Då kan de beskrivas som varianter av en och samma kraft, som separeras i flera genom ett symmetribrott vid lägre energier.
Det här ser Frank Wilczek som mycket övertygande för att supersymmetrin stämmer, men att den gömmer sig lite bortom de energier som är möjliga att experimentera med vid LHC i dag.
Om de supersymmetriska partiklarna visar sig vara mer än tiotals gånger tyngre än de varianter som testats hittills, börjar det dock bli svårt att få hans beräkning att gå ihop, och då blir supersymmetrin väldigt mycket mindre tilltalande. Ju tyngre de supersymmetriska partiklarna är, desto mindre bidrag ger de i beräkningen av kopplingskonstanterna.
– Det går fortfarande att få ihop det, men det blir inte så snyggt, säger Joakim Edsjö. Sedan tänker han efter lite och tillägger: –Fast naturen kanske ser ut så. Men om supersymmetrin faktiskt inte stämmer – vad har då forskarna för alternativ för att förstå universum? – Jag satsar ju på neutrinofysik, säger Tord Ekelöf. Enligt standardmodellen ska de partiklar som kallas neutriner sakna massa, men det har visat sig att de ändå inte är helt utan massa. Den upptäckten är den enda avvikelsen från standardmodellen hittills, och ledde till Nobelpriset i fysik 2015.
Tord Ekelöf vill bygga upp ett experiment som ska studera neutriner skapade vid anläggningen ESS utanför Lund, som skickas genom marken till en gruva i Garpenberg i Dalarna. I gruvan vill Tord Ekelöf bygga en neutrinofångare. Han tänker sig att experimentet ska kunna ge en nyckel till vad som en gång skapade obalansen mellan materia och antimateria i universum.
Det är ett spår. Frank Wilczek är i stället förtjust i en hypotetisk partikel som han själv har gett namnet axion. Den föreslogs för att lösa ett problem med den starka kärnkraften, men har seglat upp som en populär kandidat till den mörka materian – eller som en komponent av en mörk materia som består av flera olika ingredienser.
Supersymmetrin tappar i popularitet, men de flesta forskare verkar inte ta särskilt stark ställning för eller mot den. Om inga av de partiklar den förutsäger hittas kanske supersymmetrin bleknar bort och glöms. Men än så länge finns den kvar som en av de vägar som utforskas för att hitta den undflyende okända fysiken bortom standardmodellen.
Sara Strandberg, som utformar experiment för att söka efter nya partiklar, har en ganska pragmatisk inställning:
– Det är inte vår sak som experimentalister att tycka till om vilken teori vi föredrar. Vi ska kamma igenom våra data på bästa möjliga sätt, säger hon. l