I detektoren LHCb støter protoner sammen på en måte som gjør at det produseres mange partikler av typen B-mesoner. De er nemlig spesielt nyttige når det gjelder å komme på sporet av ny fysikk. (Foto: M. Brice/CERN)
I detektoren LHCb støter protoner sammen på en måte som gjør at det produseres mange partikler av typen B-mesoner. De er nemlig spesielt nyttige når det gjelder å komme på sporet av ny fysikk. (Foto: M. Brice/CERN)

Nytt CERN-resultat kan vise hittil ukjent partikkel

Elektronet og myonet skal oppføre seg likt, ifølge fysikernes beste teori for elementærpartikler. Men det gjør de ikke i eksperimentene, og det kan tyde på at helt ny fysikk, og en hittil ukjent partikkel, er involvert.

Published

Den velkjente elementærpartikkelen elektronet har en mindre berømt storebror som heter et myon.

De to partiklene ligner hverandre til forveksling – bare massen skiller dem. Myonet er nemlig 207 ganger tyngre. Det finnes også et enda større familiemedlem som kalles tau-partikkelen, men i denne historien er det elektronet og myonet som er hovedpersonene.

Eksperimenter utført i den enorme partikkelakseleratoren LHC på det europeiske forskningssenteret CERN viser nemlig at elektronet og myonet ser ut til å oppføre seg ulikt – også når man tar hensyn til forskjellen i massen.

Ifølge fysikernes beste teori for elementærpartikler, standardmodellen, skulle elektronet og myonet spille samme rolle når sammensatte partikler som kalles B0-mesoner, kolliderer. Det burde være like stor sannsynlighet for at de blir et elektron (med en antipartikkel) eller et myon (med en antipartikkel).

Men det er ikke tilfellet i de målingene forskerne bak detektoren LHCb har analysert.

Ny fysikk eller en tilfeldighet

Denne grafen fikk fysikerne til å sperre opp øynene. Forholdet mellom myoner og elektroner i henfallet av B-mesoner skulle være 1:1, som vist med de fargede markeringene, men målingene – de svarte prikkene – viser noe annet. Når det kommer 10 elektroner, kommer det bare 7 myoner. (Foto: (Illustrasjon: CERN/LHCb))
Denne grafen fikk fysikerne til å sperre opp øynene. Forholdet mellom myoner og elektroner i henfallet av B-mesoner skulle være 1:1, som vist med de fargede markeringene, men målingene – de svarte prikkene – viser noe annet. Når det kommer 10 elektroner, kommer det bare 7 myoner. (Foto: (Illustrasjon: CERN/LHCb))

Av en pressemelding fra CERN og en oppsummering fra fysikerne fremgår det det blir flere elektroner enn myoner. Når de ser 10 elektroner, ser de bare 7 myoner.

Det kan forklares på to måter:

Enten er det en ny og hittil uoppdaget partikkel involvert – en partikkel som så å si blander seg inn i prosessen. Altså helt ny fysikk som krever en teori utover standardmodellen.

Eller så er det en statistisk tilfeldighet, slik at forskjellen bare er en illusjon.               

Fysikerne innrømmer at de er usikre. Fenomenet kan komme til å forsvinne når de få mer informasjon.

B-mesoner oppfører seg underlig

Likevel er dette en viktig nyhet, for det har vært tidligere resultater i samme gate. Det er ikke første gang B-mesonene oppfører seg uventet.

– I de siste årene har eksperimenter med B-mesoner konsekvent vist avvik fra standardmodellen. De enkelte målingene hver for seg er ikke overbevisende, men hvis man legger dem sammen, får man et avvik på om lag fire sigma. Og det er faktisk en forsiktig vurdering, sier professor Francesco Sannino, som for tiden arbeider ved CERN, samtidig som han leder forskningssenteret CP3-Origins ved Syddansk Universitet.

Fire sigma innebærer at det bare er 0,006 prosents sannsynlighet for at avviket fra standardmodellen er en tilfeldighet. Det er fortsatt ikke nok til at fysikerne tør å postulere en ny partikkel, for da må de opp i over fem sigma, det vil si en sannsynlighet på 99,9999998 prosent. 100 prosent sikkerhet når man aldri.

Forskerne trenger altså mer informasjon, og eksperimentene i LHC fortsetter. Fysikerne gleder seg også til å få data fra det japanske eksperimentet Belle Ii, som også skal måle B-mesoner.

Seks artikler samme dag

Francesco Sannino er en av forskerne bak en vitenskapelig artikkel som foreløpig ligger på preprintserveren ArXiv, men som skal publiseres i et tidsskrift. I artikkelen sammenfatter forskerne resultatene av B-meson-eksperimentene, og de har særlig sett nøye på om data fra de ulike eksperimentene peker i samme retning. Det gjør de.

Den samme dagen som de nye dataene ble lagt frem, offentliggjorde de ledende forskergruppene på området hele seks vitenskapelige artikler om emnet – inkludert den vi har nevnt. Det har skapt interesse blant fysikerne – for å si det mildt.

 En av gruppene har regnet seg frem til at den «magiske» sigma 5-grensen faktisk er nådd når alle resultatene legges sammen. De mener det er så godt som sikkert at eksperimentene viser et avvik fra standardmodellen. Nå trenger vi ny fysikk, fremgår det av en pressemelding fra Barcelona Institute of Science and Technology.

Trenger mer data

Christian Bierlich, som er teoretisk partikkelfysiker ved Lund Universitet i Sverige, maner likevel til forsiktighet:

Fysikerne vet fortsatt ikke akkurat hva skjer ved henfallet av B-mesonene. Men de gjetter på egenskapene av den nye partikkelen som kanskje er involvert. Kanskje er det en Z'-partikkel (øverst), kanskje en leptokvark (trekanten nederst). (Foto: (Illustrasjon: CERN/LHCb))
Fysikerne vet fortsatt ikke akkurat hva skjer ved henfallet av B-mesonene. Men de gjetter på egenskapene av den nye partikkelen som kanskje er involvert. Kanskje er det en Z'-partikkel (øverst), kanskje en leptokvark (trekanten nederst). (Foto: (Illustrasjon: CERN/LHCb))

– Jeg synes resultatet har blitt hypet litt for mye. I pressemeldingen fra CERN skriver de nesten at de har funnet ny fysikk. Det er å gå for langt. Artikkelen fra Sannino og kollegene er en veldig god oppsummering. De påviser en samlet effekt som er veldig stor. Men hvis jeg skal være litt kritisk, så kan det være problematisk å kombinere usikkerheter på den måten. Særlig de såkalte systematiske usikkerhetene, som ikke forsvinner med mer data. Det er noen alarmklokker som ringer hos meg, sier Bierlich.

– Jeg ville gjerne se et enkeltresultat som sier «her er det ny fysikk». Jeg håper det stemmer, men jeg er jo nok av den konservative typen. Jeg håper på et «smoking gun»-signal. Og det kommer heldigvis flere resultater. De blir spennende å se. 

Francesco Sannino er ikke enig med Christian Bierlich i at CERN smører for tykt på i pressemeldingen – snarere tvert imot. Han er imidlertid helt enig i at det er behov for mer data.

– Det kan godt være dette viser seg bare å være en tilfeldighet, men jeg er ganske begeistret. Vi har vist at vi kan stole på resultatene av eksperimentene, men nå må vi vente og se om anomalien forsvinner igjen med mer data eller om den går over fem sigma, slik at vi kan proklamere en ny partikkel. 

© Videnskab.dk. Oversatt av Lars Nygaard for forskning.no.