I forrige uke presenterte forskere det som skal være den mest nøyaktige målingen av W-bosonets masse hittil.

W-bosonet er en partikkel som bidrar til en av kreftene i naturen: den svake kjernekraften.

Forskere har hatt klare forventninger til hvor stor masse W-bosonet skal ha.

Men etter nitidige analyser og ti års arbeid, ble det klart at resultatet ikke stemmer overens med det de trodde.

Ifølge den nye målingen har bosonet litt for høy masse til at det passer med standardmodellen. Hvis dette blir bekreftet, er det stort. Det peker mot ny fysikk.

Standardmodellen beskriver de minste bestanddelene i universet: elementærpartiklene. Den forklarer også tre av de fire naturkreftene.

Dobbelt så nøyaktig

Den nye studien ble publisert i tidsskriftet Science. Listen over bidragsytere er lang. Nær 400 forskere fra 54 institusjoner har vært med.

Forskerne har målt partikkelens masse med en nøyaktighet på 0,01 prosent. Det er dobbelt så nøyaktig som den hittil beste målingen.

Det kan sammenlignes med å finne vekten til en 350 kilo tung gorilla med en feilmargin på 40 gram, ifølge The Guardian.

Ti års arbeid

Forskerne studerte W-bosoner som ble produsert i partikkelakseleratoren Tevatron ved Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) i USA.

Her ble protoner og antiprotoner krasjet inn i hverandre gjennom mange år. Forskerne så på data fra fire millioner W-bosoner, som ble produsert mellom 2002 og fram til akseleratoren stengte ned i 2011.

Det ligger mye arbeid bak det nye resultatet, forteller Ashutosh V. Kotwal ved Duke University. Han ledet analysen.

– Vi tok hensyn til det vi har lært om partikkelakseleratoren vår, og til fremskrittene i den teoretiske og eksperimentelle forståelsen av W-bosonets samspill med andre partikler, uttaler Kotwal i en pressemelding fra Fermilab.

– Da vi endelig avdekket resultatet, fant vi ut at det skilte seg fra standardmodellens prediksjon.

Det er gjort flere målinger tidligere som har kommet frem til litt andre verdier.

– Selv om dette er et spennende resultat, må målingen bekreftes av et annet eksperiment før det kan tolkes fullt ut, sier underdirektør for forskning ved Fermilab, Joe Lykken, i pressemeldingen.

Tydelig forskjell

Partikkelmasser måles i en enhet som kalles elektronvolt, ifølge Duke University.

Helt konkret kom forskerne kom fram til at W-bosonets masse er 80.433 millioner elektronvolt (eV), pluss eller minus ni millioner.

Ut fra standardmodellen skulle tallet vært 80.357 millioner eV, pluss eller minus seks millioner.

Forskjellen er ikke så stor, men den er absolutt betydelig.

Tidsskriftet Nature skriver at forskjellen mellom den teoretiske forutsigelsen og målingen er 0,09 prosent. Det er mer enn feilmarginen på målingen som er på 0,01 prosent.

Hva kan denne forskjellen bety?

Byggeklossene i universet

En gang trodde man at atomer var udelelige og de minste byggeklossene.

Men det viste seg at det er en liten zoologisk hage av partikler som blant annet bygger opp atomer og står for tre av kreftene i naturen: Sterk kjernekraft, elektromagnetisme og svak kjernekraft. Alt sammenfattes i standardmodellen.

Den fjerde naturkraften, gravitasjon, kan ikke beskrives med partikler. Noen prøver riktignok å finne ut om det lar seg gjøre.

– Det finnes et visst antall forskjellige partikler som vi ser på som elementærpartikler. De er byggeklossene for alt mulig annet i universet, sier Are Raklev til forskning.no.

Han er professor i fysikk ved Universitetet i Oslo.

• Les også: Hva er egentlig en elementærpartikkel?

Kan ikke forklare alt

Standardmodellen kalles ofte den mest suksessfulle teorien i vitenskapens historie. Den gir fysikerne den mest presise beskrivelsen av de 17 elementærpartiklene. En av suksesshistoriene var at forskere forutså, og senere bekreftet higgs-partikkelens eksistens.

Men modellen kan ikke forklare alt. Gravitasjon er som nevnt ikke med. Den forteller heller ikke hva mørk materie er. Det finnes også andre ubesvarte spørsmål.

Håper på brudd

Målinger som avviker fra modellen hinter om at det finnes partikler forskerne enda ikke har oppdaget. Kanskje må utvidelser føyes til, eller ny kunnskap kan føre til en enda dypere forståelse av universet og hvordan alt henger sammen.

Fysikere blir derfor ikke lei seg når partikkel-eksperimenter en sjelden gang ikke stemmer med forutsigelsene. Tvert imot.

– Det er kjernen av det vi holder på med i partikkelfysikk. Det er sånne ting som dette vi har venta på, sier Raklev til forskning.no.

– Det er kanskje ikke opplagt for andre. Men vi håper at modellen bryter sammen. Det er det som er spennende, for da kan vi oppdage noe nytt.

En test

W-bosoner, en med positiv og en med negativ ladning, står bak den svake kjernekraften sammen med Z-bosonet som er nøytralt.

Den svake kjernekraften spiller en rolle i radioaktivitet og i kjerneprosessene som får solen til å skinne.

Den nye målingen er en slags test av om standardmodellen stemmer overens med selv.

– Det man gjør er at man tar hele rammeverket, alle målingene eller parameterne i standardmodellen som man har, bortsett fra W-bosonet og finner ut hva W-massen burde være, forteller Raklev.

– Da får man et tall med litt usikkerhet på. Det er det tallet de har sammenlignet med målingene sine. Og så stemmer det ikke overens.

– Nå er det opprør

Det nye resultatet har ikke gått upåaktet hen.

– Nå er det et fullstendig opprør innenfor partikkelfysikk. Det produseres enorme mengder med artikler som kommer med forskjellige forklaringer, sier Raklev.

Det er til tross for at boson-artikkelen bare er noen dager gammel.

Artiklene legges ut på preprint-serveren arXiv.org. De nye artiklene er ikke publisert i et tidsskrift eller fagfellevurdert. Men innenfor fysikk er det vanlig å legge ut arbeidene sine på arXiv først.

Det er to ting som diskuteres, sier han. Det ene er selve målingen, det andre er hva slags ny fysikk som eventuelt kan forklare det.

Mange fysikere vil sjekke hvordan målingen passer med sin favoritt-modell.

– Teoretikere kommer med: Se på min modell! Min modell kan forklare alt dette, sier Raklev spøkefullt.

To forklaringer

Det er hovedsakelig to forklaringer på det nye resultatet, ifølge Raklev:

– Enten så er det noe feil med målingen, eller så betyr det at det finnes flere partikler.

– Det er mulig at det eksisterer noen nye partikler som modifiserer massen til W- bosonet. Det kan finnes en partikkel som driver et slags pingpong-spill med W-bosonet når vi ikke ser, sier han.

Notorisk vanskelig

Det er ikke første gang forskere prøver å måle W-bosonets masse.

– I de andre målingene har det enten vært veldig stor usikkerhet, eller så får de noe som er mer på linje med det som modellen sier at massen burde være, sier Raklev.

Men det å måle massen til W-bosonet er langt fra enkelt.

– Det er regnet som en av de vanskeligste målingene man kan gjøre. Det er så mye detaljer som skal på plass.

Kort sagt studerer forskerne W-bosoner som blir laget når partikler krasjer med høy energi.

– Når man lager et W-boson, vil det ganske raskt henfalle til andre partikler, blant annet lepton og nøytrino. Du kan ikke observere nøytrinoene. Men du kan observere leptonene, sier Raklev.

Det at nøytrinoene forblir skjulte, gjør det vanskelig, ifølge Nature.

I fjor var det myonet

I fjor kom det en annen stor studie hvor resultatet ikke passet helt med standardmodellen. Det var noe som ikke helt stemte med målinger av myonet, en annen partikkel. Men det er ikke helt sikkert.

Forskere målte noe som kalles «anomalt magnetisk dipol-moment» ved myonet, skrev forskning.no.

Interessant nok er det slik at det å forklare massen til W-bosonet kan forklare myon-målingen også, ifølge Raklev.

- Det er lett å se for seg løsninger som løser begge.

Det gjenstår å se om avvikene blir bekreftet og hva slags nye partikler som eventuelt venter oppdagelse.

Referanse:

CDF Collaboration: «High-precision measurement of the W boson mass with the CDF II detector», Science, 7. april 2022.