Eðlis­­fræðingar spenntir yfir niður­stöðum sem storka staðallík­ani

Eðlisfræðingar hafa lengi rannsakað svonefndar mýeindir, öreind sem svipar til rafeindar en er meira en tvö hundruð sinnum massameiri. Slíkar rannsóknir eru vandasamar því mýeindir eru óstöðugar agnir sem hrörna vanalega á rúmlega tveimur míkrósekúndum. 

Í tilraunum Fermilab í Bandaríkjunum var sterkt segulsvið notað til að stýra bunu af mýeindum eftir hringbraut á hraða sem nálgaðist ljóshraðann. Með þessu móti entust mýeindirnar lengur en þær gera í kyrrstöðu og nógu lengi til að vísindamennirnir gætu mælt hegðun þeirra í segulsviðinu af mjög mikilli nákvæmni.

Öreindaeðlisfræðingar iða nú í skinninu yfir bráðabirgðaniðurstöðum Fermilab sem voru birtar á miðvikudag. Mýeindirnar hegðuðu sér nefnilega örlítið öðruvísi en svonefnt staðallíkan öreindafræðinnar, sem lýsir minnstu ögnum alheimsins og þeim lögmálum sem gilda um þær, segir fyrir um að þær hefðu átt að gera.

Frávikið var nánast hverfandi, aðeins örfáir hlutar af milljón í því sem er kallað segulvægi mýeindarinnar, en það var nóg til að fá eðlisfræðingana til að ræða möguleikann á að þeir hefðu fundið merki um nýjan og áður óþekktan kraft í náttúrunni, sem eðlisfræðingum er tamara að kalla víxlverkun, til viðbótar við þá fjóra sem eru þekktir fyrir: þyngdarkraftinn, rafsegulkraftinn og sterka og veika kjarnakraftinn.

Í sömu átt hníga nýjar niðurstöður tilrauna með stóra sterkeindahraðal Kjarnrannsóknastofnunar Evrópu (CERN). Þar voru róteindir látnar rekast saman í hraðlinum en við það myndast fjöldi óstöðugra öreinda sem innihalda svonefnda botnkvarka. Þegar þeir hrörna ættu rafeindir og mýeindir að myndast í jöfnum hlutföllum samkvæmt staðallíkaninu.

Í tilraunum CERN mynduðust aftur á móti marktækt fleiri rafeindir en mýeindir, um 15% munur, að sögn AP-fréttastofunnar.

Vísinda- og tækniaðstöðuráðið (STFC) í Bretlandi segir niðurstöðurnar „sterka vísbendingu um tilvist óþekktrar öreindar eða nýrrar víxlverkunar“, að því er segir í frétt breska ríkisútvarpsins BBC.

Ekki tímabært að tala um nýja víxlverkun strax

Ekkert hefur þó verið staðfest enn. Til þess að teljast formleg uppgötvun þarf vissan í mælingunum að ná fimm svonefndum staðalfrávikum (5 sigma) þar sem líkurnar á því að athuganirnar hafi verið tilviljun eru einn á móti 3,5 milljónum. Líkurnar í mýeindatilraununum eru taldar einn á móti fjörutíu þúsund.

Lárus Thorlacius, prófessor í kennilegri eðlisfræði við Háskóla Íslands, segir að fimm staðalfrávik séu hár þröskuldur fyrir uppgötvun en það sé að gefnu tilefni. Dæmi séu um að lofandi niðurstöður sem náðu 3-4 sigma hafi dagað uppi.

Þegar frávik komi fram í tilraunum bendi það til þess að kenningar manna séu ófullkomnar. Lárus telur að fleiri mælinga sé þörf áður en nokkru verður slegið föstu í þeim efnum.

„Þess vegna segi ég að það sé kannski ekki tímabært að tala um nýja víxlverkun, hugsanlega er þetta eitthvað annað,“ segir hann við Vísi.

Mjög flókna fræðilega útreikninga þurfi til að bera tilraunaniðurstöðurnar saman við viðtekna líkanið og sérfræðinga greini á um hvort endurskoðun þeirra geti brúað þetta bil milli fræða og mælinga.

„Jafnvel þótt slík endurskoðun skilaði engu nýju gætu þær víxlverkanir sem við þekkjum fyrir dugað og þetta verið til marks um nýjar agnir sem engu að síður lúta áður þekktum lögmálum. Eða þá að þetta er í raun ný víxlverkun sem við höfum ekki séð móta fyrir áður en þá þurfum við að athuga hvar getum við lært eitthvað meira um hana því ein svona mæling getur ekki sagt okkur nema mjög takmarkað,“ segir Lárus.

Líkan sem virkar of vel

Það sem knýr áhugann á niðurstöðunum um mýeindirnar eru að þær reyna á staðallíkan eðlisfræðinnar sem lýsir hvernig alheimurinn hegðar sér og hefur verið viðtekið í um hálfa öld. Vandamálið að mati eðlisfræðinga er að það virkar of vel.

„Þetta er spennandi því þetta viðtekna líkan virkar svo vel að það er eiginlega til vandræða. Það sést alveg á líkaninu sjálfu að það er ekki lokasvarið en það hefur reynst mjög erfitt að framkvæma mælingar þar sem maður sér einhver frávik,“ segir Lárus.

Staðallíkanið getur ekki skýrt þyngdarkraftinn en auk þess segir Lárus að stærðfræðileg uppbygging þess þýði að það geti ekki verið lokasvarið um þau lögmál sem gilda í efnisheiminum.

„Það eru alls konar spurningar sem við viljum fá svör við eins og til dæmis bara hvers vegna sumar agnir eru með nánast engan massa, aðrar með óvenjumikinn massa. Í þessu staðallíkani er massi allra efnisagna kominn til vegna víxlverkunar við Higgs-sviðið. Hvers vegna sumar þeirra víxlverka meira við Higgs-sviðið en aðrar, líkanið segir okkur ekkert um það, það er bara staðreynd sem hefur verið mæld,“ segir prófessorinn.

Kollvarpaði ekki heimsmyndinni

Lárus segir öreindatilraunir í ákveðinni krísu. Lengi vel hafi helsta markmið þeirra verið að fylla í eyður staðallíkansins og það gerðist með uppgötvun Higgs-bóseindarinnar fyrir tæpum áratug. Áður höfðu menn komist að því að fiseindir hefðu massa. Auðvelt hafi verið að samræma þær uppgötvanir staðallíkaninu.

„Hugmyndin með stóra hraðlinum í CERN var annars vegar að finna Higgs-eindina og síðan að stíga næsta skref. Það næsta skref hefur ekki gefið neinar óyggjandi vísbendingar ennþá,“ segir hann.

Jafnvel þó að mönnum tækist að staðfesta tilvist nýrrar víxlverkunar eða óþekktrar öreindar telur Lárus að það gerbylti ekki sýn eðlisfræðinnar á það hvernig alheimurinn virkar.

„Þetta kollvarpar ekki heimsmyndinni þótt við fyndum eina víxlverkun í viðbót. Það þyrfti nú heldur meira til en það,“ segir Lárus.