ALICE er en av detektorene som kan oppdage en mørk materie-partikkel. Hvis den finnes.  (Foto: CERN)
ALICE er en av detektorene som kan oppdage en mørk materie-partikkel. Hvis den finnes. (Foto: CERN)

Kan finne mørk materie til sommeren

Nå er partikkelakseleratoren LHC i gang igjen etter vinterpausen. Kanskje finner den snart helt ukjent fysikk.

Publisert

Forventningene var nok store da forskerne fyrte opp den oppgraderte partikkelakseleratoren LHC i CERN, sommeren 2015.

Nå kunne ørsmå partikler krasjes sammen med mer energi enn noensinne, og dette åpnet muligheter for helt nye oppdagelser.

Og i desember, like før LHC skulle stenge for vinteren, kom jammen det forskerne hadde håpet på:

En hump.

Nærmere bestemt en hump på en kurve over målingsdata, på et sted der ingen hadde forutsett den.

Og til alt overmål dukket den samme humpen opp i data fra to uavhengige detektorer - altså måleinstrumentene som registrerer hva som skjer når partikler i akseleratoren kolliderer med hverandre.

Humpen betyr at vi kanskje, kanskje har sett konturene av en ukjent partikkel. En partikkel som ikke er omtalt i fysikernes nåværende beskrivelse av universet – standardmodellen.

Og det, mine damer og herrer (trommehvirvel), betyr i så fall at vi er ute i helt ny fysikk. I en hvit flekk på kunnskapens kart.

Hvis det virkelig stemmer, vil nok standardmodellen lide omtrent samme skjebne som Newtons lover etter at Einstein oppdaget relativitetsteorien: Den vil fortsatt være nyttig innenfor området den kan forklare, men mister rollen sin som «modellen som forklarer alt».

Trenger ny partikkel

Det kan høres dramatisk ut at standardmodellen faller. Men fysikerne selv er ikke særlig bekymret. Dette har nemlig ligget i kortene en god stund. Og dessuten er det antagelig nødvendig.

For vi vet allerede om fenomener som standardmodellen ikke kan forklare. For eksempel at universet ser ut til å inneholde enorme mengder mørk materie, et usynlig og ufølbart stoff.

Observasjoner mer enn antyder at stoffet finnes. Men hvis det ikke kan forklares med den fysikken vi kjenner, hva er det da?  

Den mest sannsynlige hypotesen i dag er at mørk materie er en form for partikkel – eller flere. Altså nettopp partikler som det ikke er plass til i standardmodellen.

Men som det går an å lete etter i LHC.

Jakten var allerede i gang da partikkelakseleratoren startet på ny giv i 2015. Men var det mørk materie som dukket opp som en hump i kurvene sent i desember?

Fortsatt et mysterium

Foreløpig vet vi rett og slett ikke.

Professor Heidi Sandaker ved Universitetet i Oslo og Universitetet i Bergen venter på nye data for å forstå hendelsen bedre.

Det er langt fra sikkert at humpen betyr noe i det hele tatt. Den kan skyldes statistiske sammentreff i dataene tatt fra de to detektorene som er koblet til LHC.

- Sannsynligvis var det ikke noen partikkel, sier Sandaker, men det er litt mystisk at to uavhengige detektorer har en hump på samme sted.

Bare flere tester og observasjoner kan gi svar.

Og i mellomtida jobber forskerne med teoretiske ideer om hva mørk materie-partikler er, og dermed hvordan vi kan forvente at de ser ut i dataene fra CERN.

For selv om ingen vet hva mørk materie er, har forskerne selvfølgelig flere ideer om hvordan ny fysikk – utenfor standardmodellen – kan gi oss en mørk materie-partikkel.

En av dem er hypotesen om at universet er supersymmetrisk.

Hvis den stemmer, kan vi forvente oss ikke bare én ukjent hump i dataene fra LHC, men en hel haug, forteller Sandaker.

Supersymmetri forutsier nemlig en komplett kaskade av nye partikler, hvorav en kan være mørk materie.

Ny signatur

- Vi har lett etter slike partikler lenge, sier Sandaker.

I mange år har forskerne brukt LHC til å krasje sammen par av vanlige partikler i stadig større fart.

Når partiklene smeller sammen, forvandles de til en ball av energi. Og fra denne energien oppstår nye partikler. De brytes raskt ned til enda en skur av forskjellige partikler. Og denne skuren kan fanges opp av avansert måleutstyr i ulike detektorer.

Teorien forteller forskerne hva de kan forvente seg.

En karakteristisk skur med bestemte typer partikler forteller hvilke partikler som først oppstod etter smellet.

Men det er også mulig at et krasj resulterer i en uventet skur av partikler. En ny signatur. Det kan være et tegn på at det har oppstått en ukjent partikkel i smellet.

Bør dukke opp snart

Foreløpig har det ikke dukket opp noen signaturer som kan passe med supersymmetri-partiklene eller andre partikler som kan tenkes å være mørk materie.

Det kan være fordi disse partiklene er tunge. Skal du lage en tung partikkel i LHC, trengs det nemlig veldig mye energi i krasjet. Og forskerne leter systematisk med litt og litt høyere energi i smellene. Kanskje har de bare ikke kommet opp til høy nok energi enda.

Men hvis supersymmetri-partikler virkelig finnes, bør de begynne å dukke opp nå snart, sier Sandaker.

- Hvis ikke LHC finner noen av dem de neste årene, blir det vanskeligere å argumentere for at supersymmetri finnes. Da må vi konsentrere oss om andre modeller.

Men oddsen er uansett at vi vet mer om mørk materie før veldig mange år har gått. Og om partikkelfysikk generelt. For samtidig som Sandaker og kollegaene leter etter partikler i LHC, søker forskere etter svar andre steder.

Målinger med teleskoper kan fortelle oss mer om hvordan mørk materie fungerer der ute i verdensrommet. Og målestasjoner langt under bakken ser etter sjeldne episoder hvor to partikler av mørk materie naturlig krasjer sammen og lager et lysglimt.

Til sammen kan de neste åras resultater åpne døra inn til en helt ny verden i fysikken. 

- Kanskje står vi på terskelen til å skjønne mye mer, fordi vi må finne ut mer enn det som beskrives i standardmodellen, sier Sandaker.

- Det kan hende vi trenger et nytt tankesett og et nytt verdensbilde.