Verden af det teensy-lille, kvanteområdet, kunne have en yndlingssmag.
Vi taler selvfølgelig ikke om itty-bitty iskegler. Verden af partikler er opdelt i tre lejre, kaldet "smag" (spørg ikke hvorfor). For eksempel repræsenterer elektronerne en smag, og der er to andre partikler med næsten identiske egenskaber, muon og tau, som har deres egne smagsstoffer. Vi har længe mistænkt - men ikke bevist - at alle tre smag skal være på lige fod.
Men desværre begynder år med collider-eksperimenter at antyde, at måske ikke alt er jævnt.
Resultaterne af disse eksperimenter er stadig tentative og ikke signifikante nok til at hævde den faste opdagelse af en revne i bibelen af partikelfysik kaldet standardmodellen. Men hvis resultaterne holder op, kan det åbne porten til at forstå alt fra mørk stof til universets oprindelse. Du ved, store uløste problemer i moderne fysik.
Standard smag
Standardmodellen for partikelfysik hersker som den overordnede og har med succes bestået angreb fra test fra eksperimenter rundt om i verden i løbet af årtier. Denne teori forener vores forståelse af tre af de fire grundlæggende kræfter i universet - elektromagnetisme, stærk nuklear og svag nukleare - under et enkelt kvantebanner. Alt i alt er det den mest velafprøvede teori inden for hele videnskaben, der er i stand til at forklare en lang række grundlæggende interaktioner.
Med andre ord, du bare ikke rod med Standard Model.
Og alligevel ved vi, at dette billede af den subatomære verden langt fra er perfekt. Bare for at nævne et par eksempler, forklarer det ikke neutrino-masser eller giver os en anelse om mørkt stof. Det overvældende flertal af fysikere mener, at der er en anden teori, hidtil ukendt, som omfatter alt, hvad Standardmodellen er i stand til at forklare og de ting, den ikke kan.
Den sorte ting er, at vi ikke ved, hvordan den teori ser ud, eller hvilke forudsigelser den måtte komme med. Så ikke kun ved vi ikke de fulde svar på livet, universet og alt derimellem, vi ved heller ikke, hvordan vi får disse svar.
For at finde antydninger til "En bedre teori" er forskere på jagt efter eventuelle ufuldkommenheder eller falske forudsigelser af standardmodellen - en revne i den teori kan måske åbne døren til noget større.
En af de mange forudsigelser af standardmodellen vedrører arten af leptonerne, som er små, ensomme partikler som elektroner eller kvarker. Leptonerne er grupperet i tre klasser, kendt som generationer eller varianter afhængigt af hvilken fysiker du spørger. Partikler med forskellig smag har alle de samme egenskaber, bortset fra at have forskellige masser. For eksempel har elektronet, muon og tau-partiklen alle den samme elektriske ladning og drejning, men muonen opvejer elektronet, og tau endnu mere - de har forskellige smag.
I henhold til standardmodellen skal disse tre varianter af elektron opføre sig nøjagtigt det samme. Grundlæggende interaktioner bør producere hver af disse med lige sandsynlighed; naturen kan simpelthen ikke fortælle forskellen mellem dem, så den favoriserer ikke en smag frem for en anden.
Når det drejer sig om de tre varianter, tager naturen den napolitanske tilgang: dem alle.
Et smukt resultat
Det er dog alt sammen teori, og derfor skal det testes. I årenes løb blev forskellige eksperimenter, ligesom dem, der blev udført i Large Hadron Collider ved CERN og BaBar-anlægget, hvor grundlæggende partikler smadres sammen i massive kollisioner. De resulterende partikler produceret fra disse kollisioner kunne give ledetråde til, hvordan naturen fungerer på det dybeste af niveauer. Og nogle af disse kollisioner er designet til at se, om naturen kan lide en smag af lepton i forhold til de andre.
Især kan en slags partikel, kaldet bundkvarken, virkelig nyde at nedbrydes til leptoner. Nogle gange bliver det et elektron. Nogle gange en muon. Nogle gange en tau. Men uanset hvad, har alle tre varianter en lige chance for at komme ud fra vraget.
Fysikere har formået at samle hundreder af millioner af sådanne bundkvark-forfald, og for nogle få år siden begyndte noget mærkeligt i dataene: Naturen syntes at favorisere tau-partikler i disse interaktioner lidt mere end de andre leptoner. Det var imidlertid næppe statistisk signifikant, så det var let at bølge disse resultater væk som en simpel statistisk fluke; måske havde vi bare ikke kørt nok af kollisionerne til, at alt kunne udjævnes.
Men efterhånden som årene er gået, har resultatet sat sig fast, som fysiker Antonio Pich fra Universitetet i Valencia i Spanien påpeger i en gennemgang af denne forskning, der blev offentliggjort i fortryksdatabasen arXiv i november. Naturen ser temmelig stædig ud, når det kommer til dens tilsyneladende favorisering af tau-partiklen. Resultatet er stadig ikke afgørende, men dets vedholdenhed gennem årene og på tværs af forskellige eksperimenter har skabt en rigtig head-scratcher.
Ikke-så-standard model
I standardmodellen får de forskellige smag af leptoner deres… vel, smag… gennem deres interaktion med Higgs-boson: Jo mere en smag interagerer med Higgs, jo større er dens masse. Men ellers skelner ikke naturen mellem dem, og derfor er forudsigelsen af, at alle smagsoplevelser skal vises ens i alle interaktioner.
Men hvis disse såkaldte "smagsanomalier" virkelig er et reelt træk i vores univers og ikke kun en vis fejl i dataindsamlingen, så har vi brug for en måde at forklare, hvorfor naturen skal bekymre sig mere om tau-partiklen end elektron eller muon. En mulighed er, at der måske er mere end en slags Higgs-boson, der flyver rundt - en for at give masserne af elektron og muon, og en anden, der er særlig glad for tau, så den kan springe ud af interaktioner oftere.
En anden mulighed er, at der er ekstra partikler, der taler til tau - partikler, som vi endnu ikke har set i eksperimenter. Eller måske er der en grundlæggende symmetri af naturen, der kun afslører sig selv gennem hviskningerne af leptonreaktioner - med andre ord en ny naturkraft, der kun vises i disse obskure, sjældne interaktioner.
Indtil vi lægger beviset fast (lige nu, er den statistiske betydning af denne forskel omkring 3-sigma, hvilket repræsenterer en 99,3% chance for, at dette resultat kun er en fluke, mens "guldstandarden" for partikelfysik er 5-sigma, eller 99,97%), kan vi ikke vide med sikkerhed. Men hvis beviset strammes op, kunne vi potentielt bruge denne nye indsigt til at finde ny fysik ud over standardmodellen, hvor vi åbner muligheden for at forklare det i øjeblikket uforklarlige, såsom fysikken i det meget tidlige univers eller hvad der nu foregår med mørkt stof.
