De ungarske fysikerne brukte dette instrumentet til å gjøre målingene av beryllium-nedbrytingen. (Foto: MTA Atomki)
De ungarske fysikerne brukte dette instrumentet til å gjøre målingene av beryllium-nedbrytingen. (Foto: MTA Atomki)

Mystisk fysikkresultat kan forklares med en femte naturkraft

En radioaktiv utgave av grunnstoffet beryllium oppfører seg merkelig. En femte og hittil ukjent naturkraft kan forklare resultatet, tror forskere.

Fire krefter binder universets byggeklosser sammen:

I dag kjenner fysikerne fire fundamentale naturkrefter:

Den elektromagnetiske kraften

Den svake kjernekraften

Den sterke kjernekraften

Tyngdekraften 

Mye mørk materie der ute

Universet er fylt med en form for materie som ikke ligner vanlig materie, ettersom det ikke sender ut noen form for elektromagnetisk stråling. Heller ikke lys.

Fysikerne kaller dette stoffet for mørk materie, og det er om lag 5,5 ganger så mye mørk materie som vanlig materie.

Standardmodellen

Standardmodellen forklarer hvordan alt i universet ser ut til å være bygget opp av tolv grunnleggende byggeklosser – seks kvarker og seks leptoner.

Ifølge modellen samhandler disse ved hjelp av kraftbærende partikler som kalles bosoner.

Higgspartikkelen er et boson som forskerne fremdeles leter etter for å få bekreftet at modellen er riktig – en manglende brikke.

Men Standardmodellen kan antakeligvis ikke forklare hele bildet, og forskerne leter etter fysikk som går utenom modellen, og som kanskje vil lede dem til en mer elegant «Teori om alt».

(Kilder: CERN og Fermilab)

I et fysikkeksperiment på det ungarske vitenskapsakademiets institutt for kjerneforskning i Debrecen har det skjedd noe rart som krever en god forklaring:

En tilstand av grunnstoffet beryllium der det har høy energi, brytes nemlig ikke ned til mindre bestanddeler på den måten forskerne hadde forventet.

I en vitenskapelig artikkel i Physical Review Letters har de ungarske forskerne beregnet sannsynligheten for at oppførselen til denne versjonen av grunnstoffet bare skyldes en statistisk tilfeldighet.

Sannsynligheten for dette er 1 til 200 milliarder, ifølge beregningene. Sjansen for at det finnes en annen forklaring er med andre ord stor.

Men akkurat hva det er forskerne kan ha oppdaget, er fremdeles et åpent spørsmål.

Fysikernes beste forklaring på observasjonene er at en hittil ukjent og ganske lett partikkel er med i bildet.

En femte naturkraft?

Den hypotetiske partikkelen passer ikke helt inn i partikkelfysikkens standardmodell for hvordan universet er bygget opp.

Men kanskje er det snakk om en partikkel som sørger for forbindelsen mellom mørk materie og vanlig materie?

Det kan også være snakk om en såkalt kraftpartikkel som formidler en ny form for naturkraft. Eller kanskje den er begge deler, undrer forskerne.

En gruppe amerikanske fysikere som nettopp har sett nærmere på resultatene fra det ungarske forsøket, mener at det må være en lett kraftpartikkel.

I så fall snakker vi her om en veldig svak kraft som bare virker ved avstander på noen få ganger diameteren av en atomkjerne – svakere enn den svake kjernekraften.

Passer i modeller for mørk materie

Resultatet har naturlig nok vakt oppsikt blant verdens fysikere, også hos førsteamanuensis Mads Toudal Frandsen fra Syddansk Universitets senter for partikkelfysikk, CP3-Origins:

– Det er et potensielt spennende resultat – la oss si det sånn. Hvis det er en ny naturkraft, kunne den godt være båret av lett partikkel.

– I enkelte modeller for mørk materie er det også helt nødvendig at du har en ganske lett partikkel som vi kan si at bærer kommunikasjonen mellom mørk materie og de vanlige, kjente partiklene, sier han.

Høye vinkler overrasket

I det ungarske eksperimentet skjøt fysikerne protoner mot folier som besto av litium-forbindelser. Dette gjorde de ved hjelp av en partikkelakselerator.

Når et proton ble tatt opp i en litiumkjerne, ble resultatet en ustabil berylliumkjerne med høy energi.

Disse radioaktive berylliumkjernene ville kvitte seg med den ekstra energien, og det skjedde noen ganger ved at de sendte ut partikkelpar som bestod av et elektron og antipartikkelen til elektronet – et positron. Så langt gikk eksperimentet etter boken.

Overraskelsen kom da fysikerne så på vinkelen mellom banene til partiklene som berylliumkjernene sendte ut, og som ble fanget opp av detektorer.

Ifølge teorien skulle antallet partikler som detektorene oppdaget, ha falt jevnt med vinkelen mellom dem – i mange tilfeller burde vinkelen ha vært lav og i få tilfeller burde den ha vært høy.

Men ved en høy vinkel på om lag 140 grader kom det en hump på kurven.

Forskerne ble overrasket over hvor mange av berylliumkjernenes utsendte partikler som ble sendt ut med en svært høy vinkel mellom seg.

Det er dette fenomenet som fysikerne best kan forklare med at den energirike berylliumkjernen først brytes ned til en ny og hittil ukjent partikkel, som så i neste omgang brytes ned til elektron-position-paret.

Nå skal resultatet sjekkes

Den øverste, fullt opptrukket kurven burde gå jevnt nedover, men ved høye vinkler avviker eksperimentet fra teorien – det kommer en hump på kurven. Det kan kanskje forklares med en ny partikkel. (Foto: (Graf: Krasznahorkay et al.))
Den øverste, fullt opptrukket kurven burde gå jevnt nedover, men ved høye vinkler avviker eksperimentet fra teorien – det kommer en hump på kurven. Det kan kanskje forklares med en ny partikkel. (Foto: (Graf: Krasznahorkay et al.))

Det kan alltids finnes feil i forskernes målinger, selv om de ungarske fysikerne føler seg overbeviste om at dette ikke er tilfellet. De har gjentatt eksperimentet mange ganger og løpende forbedret forsøksoppsettet gjennom tre år.

– I forsøket har forskerne sett etter nedbrytingsprosesser som er veldig sjeldne, og det er alltid en eksperimentell utfordring.

– Kanskje er det ett eller annet i det eksperimentelle oppsettet som de ikke har orden på. Men dataene deres er umiddelbart overbevisende, sier Frandsen.

Det er også mulig at beryllium rett og slett kan henfalle på en måte som fysikerne hittil ikke har forestilt seg.

Flere andre fysikere skal nå undersøke resultatet nærmere, og i løpet av et års tid bør det være mulig å avgjøre om den hittil ukjente partikkelen finnes eller ikke. Det skriver Nature News.

– Nå har man et mål. Nå kan forskere designe eksperimenter som går etter den hypotetiske partikkelen, sier Frandsen og fortsetter:

– Den hypotetiske partikkelen henfaller jo til et elektron og et positron. Det finnes små partikkelakseleratorer hvor man lar elektroner og positroner kollidere.

– Hvis man kjørte eksperimenter i nærheten av den energien som den ukjente partikkelen har, så ville den oppstå og så henfalle tilbake til et elektron og et positron. Det vil forskerne kunne observere.

Hvis partikkelen faktisk viser seg å eksistere, vil de ungarske forskerne utvilsomt få en plass i historiebøkene.

Hvis ikke, fortsetter jakten på ny fysikk som kan forklare hvordan universet henger sammen på det mest grunnleggende planet.

Referanser:

Krasznahorkay, A.J. (et al.) Observation of Anomalous Internal Pair Creation in 8Be: A Possible Indication of a Light, Neutral Boson. Physical Review Letters (2016).

Feng, J.L. (et al.) Evidence for a Protophobic Fifth Force from 8Be Nuclear Transitions. arXiv (2016).

© Videnskab.dk. Oversatt av Marianne Nordahl for forskning.no.

Powered by Labrador CMS