Det røde området i midten viser røntgenstråling fra to kolliderende galaksehoper, fotografert med romteleskopet Chandra. Vanlig materie ble bremset opp i kollisjonen (rødt), mens den mørke materien fortsatte tvers gjennom, upåvirket (blått). Den mørke materien er tegnet inn i fotografiet, da den ikke kunne påvises direkte, bare måles ut fra hvordan tyngdekreftene deres avbøyde lysstråler fra galaksene. NASA/CXC/M. Weiss
Det røde området i midten viser røntgenstråling fra to kolliderende galaksehoper, fotografert med romteleskopet Chandra. Vanlig materie ble bremset opp i kollisjonen (rødt), mens den mørke materien fortsatte tvers gjennom, upåvirket (blått). Den mørke materien er tegnet inn i fotografiet, da den ikke kunne påvises direkte, bare måles ut fra hvordan tyngdekreftene deres avbøyde lysstråler fra galaksene. NASA/CXC/M. Weiss

Lykken er en trekant

Kan ha sett tegn på supersymmetri i data fra CERN.

Publisert

CERN

Den europeiske organisasjon for kjernefysisk forskning, er en internasjonal organisasjon for partikkelfysisk forskning.

Navnet CERN er et akronym for det opprinnelige franske navnet Conseil européen pour la recherche nucléaire.

CERNs virksomhet er konsentrert rundt partikkelfysikk, kjernefysikk og kjernekjemi og omfatter verdens største forskningssenter innen disse fagområdene. Ved forskningssenteret ligger Large Hadron Collider, en enorm partikkelakselerator som ble ferdigstilt og tatt i bruk til vitenskapelige eksperimenter i 2008.

CERN ble etablert i 1954 av 12 land i Europa. Alle de opprinnelige medlemmene er fortsatt medlem av CERN, bortsett fra det tidligere Jugoslavia som meldte seg ut i 1961 og forble utmeldt frem til statens oppløsning. Organisasjonen har i dag 20 medlemsland, rundt 2600 heltidsansatte pluss nesten 8000 vitenskapsfolk og ingeniører fra 500 universiteter og 80 nasjoner.

CERN la også grunnlaget for World Wide Web på 1980-tallet, og verdens første nettside ble publisert herfra i 1991.

Kilde: Wikipedia

Mørk materie

Mørk materie er en betegnelse innen astrofysikk for materie som ikke gir fra seg, eller reflekterer, nok elektromagnetisk stråling til å kunne oppdages direkte.

I hovedsak refererer betegnelsen mørk materie til den hittil ikke identifiserte materiekomponenten som utgjør mesteparten av massen i universet.

Tilstedeværelsen av materien kan utledes av dens gravitasjonelle effekt på synlig materie og på lys.

(Kilde: Wikipedia)

CMS og Atlas

Dette er to store maskiner, detektorer, som er plassert langs LHC-ringen.

Detektorene fungerer som enorme kameraer – Atlas er for eksempel på størrelse med en fem etasjes boligblokk og veier 7.000 tonn - som tar bilder av partikkelkollisjonene.

Atlas og CMS er også store forskersamarbeid, med ca 3000 fysikere tilknyttet hvert av dem. Fysikere fra Universitetet i Oslo og Universitetet i Bergen deltar i Atlas-samarbeidet.

Higgspartikkelen, som sørger for at alle de andre partiklene får masse, ble oppdaget av Atlas og CMS i 2012.

Det er noe som ikke stemmer. En ukjent masse lurer - overalt i universet, på jorda, ja, tvers gjennom kroppen din akkurat nå.

Å finne ut hva dette noe er, er jobb nummer én for noen tusen fysikere.

Foreløpig har ikke forskerne funnet noen forklaring, selv om det letes med lys og lykte: i verdensrommet, i isen i Antarktis og på laboratorier som Cern.

For en tid tilbake presenterte CMS-eksperimentet ved Cern noen data som ikke stemmer med dagens viten. Professone Are Raklev ved UiO og Ben Allanach ved Cambridge kastet seg over materialet sammen med doktorgradsstipendiat Anders Kvellestad ved UiO.

Viste avvik fra rådende teori

- Vi jobbet dag og natt i to uker. Det var litt for spennende til å la det ligge! forteller Kvellestad, og forklarer:

- Det er fristende å la de to verdenene møtes, sier doktorgradsstudent ved UiO Anders Kvellestad. Han sikter til teorien om supersymmetri og observasjonene av mørk materie.  (Foto: UiO)
- Det er fristende å la de to verdenene møtes, sier doktorgradsstudent ved UiO Anders Kvellestad. Han sikter til teorien om supersymmetri og observasjonene av mørk materie. (Foto: UiO)

- Dataene viste et avvik fra den rådende teorien: standardmodellen for partikkelfysikk, som forklarer det vi vet til nå. Vi elsker jo avvik. Særlig etter mange års tørke, hvor alt som kommer fra LHC-eksperimentene viser en deprimerende god overensstemmelse med standardmodellen. LHC er verdens største partikkelakselerator og en del av Cern.

Avvik betyr nemlig at det kan være noe nytt der, noe som fysikerne ennå ikke vet hva er.

Vi kommer tilbake til avviket, men først litt teori.

Å la to verdener møtes

Den mest populære hypotesen for mørk materie er at den består av partikler som vi ikke kan se, men som vi kan ane effekten av, blant annet på galaksers rotasjon.

Teorien kalles supersymmetri, eller Susy.

Supersymmetri er mer enn én teori, det er et helt rammeverk. Susy er veldig interessant for teoretikere å jobbe med, men uhyre vanskelig for eksperimentalister å motbevise.

Susy kan forklare mange problemer på en gang, for eksempel hvorfor Higgspartikkelen er så lett.

Supersymmetri åpner også opp for én felles teori for tre av de fundamentale naturkreftene, og Susy er en ingrediens i enda dypere teorier som strengteori.

- Mørk materie er nok det mest nærliggende vi ikke ikke kan forklare, mener Kvellestad. Vi vet fra en rekke observasjoner fra astrofysikken at det er noe der, og så leter vi etter teorien som kan forklare det vi ser.

Supersymmetri er omvendt: Vi har denne store, flotte teorien, men mangler observasjoner. Det er veldig fristende å forsøke å la de to verdenene møtes, sier Kvellestad.

- Historisk sett har fysikk-teorier som inneholder matematiske symmetrier gjort det bra.

Men jeg tror det er viktig å ikke forelske seg for mye i i én teori, mener Kvellestad, og fortsetter:

- For meg personlig er det mest interessant å se om vi kan komme noe videre i vår forståelse av verden ved å bruke dette førende prinsippet. Å basere fysikkteorier på matematiske symmetrier har vist seg å være svært vellykket. Supersymmetri kan være det neste steget i denne utviklingen.

En avvikende trekant

Men tilbake til avviket som ble observert i CMS-eksperimentet.

- Avviket er ikke så stort, sier Kvellestad, men når dataene tegnes i et histogram har det en form som er interessant for oss supersymmetrikere.

Overskuddet av partikler danner en ekstra bulk i form av en trekant i histogrammet. Og supersymmetriteori forutsier nettopp at slike trekanter opptrer i dataene.

- Etter å ha latt datasimuleringer tygge på dette fant vi at signalet fint kan passe med en supersymmetrisk modell, forteller Kvellestad.

La oss se litt nærmere på hva forskerne har gjort. I et datasett har CMS-eksperimentet sett for mange leptoner (fellesnavn på elektroner og myoner, en liknende, men tyngre partikkel) i forhold til det som er forventet med dagens teori.

Spørsmålet Raklev, Allanach og Kvellestad stilte seg var om dette over overskuddet av leptoner kan skyldes at eksperimentet har produsert supersymmetriske kvarker?

Gyllen kaskade

Susy-kvarken lever bare en kort stund før den omvandles til en annen partikkel, som igjen forvandles til en ny og deretter enda en. For hver gang en slik omvandling skjer sendes det ut en partikkel. Fenomenet kalles en gyllen kaskade.

I de to siste forvandlingene sendes det ut leptoner, som kan registreres i eksperimentet.

Så hvor sikkert, eller usikkert, er det at dette virkelig er restprodukter av supersymmetriske partikler?

Partikkelfysikken opererer med statistiske sannsynligheter. Hvor sikkert et signal er oppgis i standardavvik og måles i sigma. Vi husker jubelen over 5 sigma da Higgspartikkelen ble oppdaget.

5 sigma er den magiske grensen for oppdagelse i partikkelfysikk. Sannsynligheten for at dataene dine ikke bare er støy er da 99,9999 %.

Alex Read fysikkprofessor ved UiO, har vært sentral i søk etter Higgspartikkelen ved Cern, og forteller i denne videoen hvorfor dette er så viktig.

Sannsynligheten for å finne et avvik

Signalet som Kvellestad har analysert er på 2,6 sigma. Det vil si at hvis en hadde gjort det samme eksperimentet 200 ganger, ville kun ett eksperiment hatt så stort avvik.

Ifølge forskerne, er det ikke så enkelt som å si at dette er ganske sikkert.

- CERN-eksperimentene leter etter avvik overalt i dataene sine. Sannsynligheten for å finne en slik trekant som vi fant, på akkurat dette stedet i dataene, er riktignok liten. Men sannsynligheten for å finne en trekant ett eller annet sted er ganske mye større, forklarer Kvellestad.

Så viktig er det å huske på dette at det har fått et eget navn i fysikernes sjargong, nemlig look elsewhere-effekten.

Hvis du møter en bekjent på T-banen kan det virke ganske usannsynlig at akkurat denne personen skulle befinne seg på samme bane som deg - og ja, dette er faktisk usannsynlig. 

Men siden du har mange bekjente, er det ikke nødvendigvis så usannsynlig at du skulle treffe en eller annen bekjent.

Forskjellen i (u)sannsynlighet mellom det å treffe én bestemt bekjent og det å treffe en eller annen bekjent, er akkurat som forskjellen mellom det å se et bestemt avvik i datasettet og det å se et eller annet avvik i datasettet.

Signaler på både 3 og 4 sigma dukker opp i eksperimenter for så å forsvinne igjen med mer data, så det er viktig å være litt nøktern.

- Om dette var det eneste vi hadde sett på i vår analyse ville vi ikke vært så begeistret, sier Kvellestad.

Får trolig svar til sommeren

- Vi undersøkte også om dataene kunne forklare observasjonene av mørk materie, og det kan de faktisk.

Om dette stemmer eller ikke, om det virkelig er rester av Susy-partikler som dukket opp i dataene til CMS, vil LHC kunne gi svar på når maskinen startes opp igjen med dobbelt energi i 2015.

- Vi vet jo ikke hva som kan dukke opp. Sommeren 2015 blir veldig spennende. Da offentliggjør sannsynligvis eksperimentene CMS og Atlas de første dataene fra vårens kjøringer. Drømmescenariet er at signalet vårt vokser når de neste dataene blir presentert, sier Anders Kvellestad.

- Hvis vi ikke ser noen tegn til supersymmetri i den neste kjøringen til LHC tror jeg noe av motivasjonen for å jobbe med disse teoriene forsvinner, avslutter han.