Det var 2016, fysikere jobbet utrettelig. For fire år siden bekreftet LHC eksistensen av Higgs boson forutsagt av Standard Model. Alt gikk til det faktum at LHC må finne andre nye partikler - naturen selv, syntes det, krevde dem. Men alle dataene som er samlet inn av forskere, bare knuste drømmene sine til smedere. Standardmodellen og generell relativitet fungerer utmerket, men fysikere mener at det er et fangst et sted. De tror at disse teoriene er ufullstendige, ikke korrelerer med hverandre, og fører noen ganger til paradokser som det ennå ikke er funnet noen kur for. Det må være noe annet. Men hvor skal jeg lete?
Cacher med nye fenomener blir mindre og mindre. Men fysikere har ennå ikke brukt alle muligheter. Her er de mest lovende områdene som søk pågår for øyeblikket.
Svakt samspill
Partikkelkollisjoner ved høye energier, slik som de oppnådd med LHC, kan produsere alle eksisterende partikler opp til energiene som de kolliderende partiklene hadde. Men antallet nye partikler avhenger av styrken i deres samspill. En partikkel som samspiller veldig svakt, kan fødes så sjelden at den ennå ikke er sett.
Fysikere har foreslått mange nye partikler som faller inn i denne kategorien fordi svakt samvirkende materiale som helhet ser veldig likt ut som mørk materie. Spesielt inkluderer dette svakt samvirke massive partikler (WIMPs), sterile nøytrinoer og aksjoner (også en sterk kandidat for mørk materie).
Slike partikler søkes både gjennom direkte målinger - observasjon av store reservoarer i underjordiske gruver i påvente av sjeldne interaksjoner - og ser opp for uforklarlige astrofysiske prosesser som kan fungere som et indirekte signal.
Salgsfremmende video:
Høye energier
Hvis disse partiklene ikke var av den svakt samvirkende typen, ville vi allerede lagt merke til dem, med mindre massen er utenfor energien som vi har vært i stand til å oppnå med partikkelakseleratorer for øyeblikket. I denne kategorien har vi alle supersymmetriske partnerpartikler, som er mye tyngre enn standardmodellpartiklene fordi supersymmetri er ødelagt. I tillegg kunne man ved høye energier se partikkeleksitasjonene som er til stede i modeller med komprimerte ekstra dimensjoner. Disse eksitasjonene vises ved bestemte diskrete energinivåer som er avhengig av størrelsen på den ekstra dimensjonen.
Strengt tatt spilles ikke en viktig rolle i spørsmålet om mulig påvisning av en slik partikkel ikke av masse, men av energien som kreves for å produsere slike partikler. Sterke atomkrefter utviser for eksempel "innesperring", noe som betyr at det tar mye energi å bryte fra hverandre kvarker, selv om massen deres ikke er veldig stor. Følgelig må kvarker ha bestanddeler - de kalles ofte "preons" - som har et samspill - "technicolor" - som ligner på den sterke kjernefysiske. De mest åpenbare technicolor-modellene kom i konflikt med dataene for tiår siden. Men ideen fortsetter å leve videre, og selv om overlevende modeller ikke er spesielt populære, bør den ikke diskonteres.
Disse fenomenene blir søkt på LHC og i høye energi kosmiske stråler.
Høy presisjon
Prosessetesting med høy presisjon av standardmodellen kompletterer høye energimålinger. De kan være følsomme for små effekter fra virtuelle partikler som er for energiske til å bli produsert i akseleratorer, men veldig viktige ved lave energier på grunn av kvanteeffekter. Eksempler på dette er protonforfall, neutron-antineutron-svingninger, muon g-2, kaon-svingninger. For alle disse eksemplene er det eksperimenter som leter etter avvik i standardmodellen, og nøyaktigheten til disse målingene øker kontinuerlig.
En annen test med høy presisjon er søket etter neutrinoløst dobbelt beta-forfall, noe som ville demonstrere at nøytrinoer er Majorana-partikler, en helt ny type partikkel.
For lenge siden…
Under det unge universet var materien mye tettere og varmere enn vi noensinne kunne håpe å oppnå i våre partikkelakseleratorer. Derfor kunne underskriftene som ble igjen fra disse tider gi oss ny mat til ettertanke. Temperatursvingninger i den kosmiske mikrobølgebakgrunnen kan teste inflasjonsscenarier eller dens alternativer, kan universet vårt oppleve et "stort sprett" i stedet for et "stort smell", og om tyngdekraften ble kvantifisert på det tidspunktet.
…langt herfra…
Noen av signaturene til ny fysikk vises på store avstander, ikke på små. Et uavklart spørsmål gjenstår for eksempel universets form. Er den uendelig stor, eller lukker den seg inn i seg selv? Og i så fall, hvordan nøyaktig? En av studiene som er viet til dette problemet, er å se etter gjentagende mønstre i temperatursvingninger i den kosmiske mikrobølgebakgrunnen (CMB). Hvis vi bor i en multiverse, kan de to universene ved et uhell kollidere, noe som vil etterlate et merke på CMB. Et annet fenomen som kan manifestere seg på store avstander er den femte styrken, noe som kan føre til lette krenkelser av generell relativitet.
… og akkurat her
Ikke alle eksperimenter er store og dyre. Mens knehøye funn blir mindre og mindre sannsynlig ganske enkelt fordi mye allerede er prøvd og gjort, er det områder der små laboratorieforsøk kan føre oss på en ny sti. Dette gjelder spesielt kvantemekanikk, der ørsmå mekanismer og detektorer tillater tidligere umulige eksperimenter. Kanskje vi en dag kan løse tvisten om den "riktige" tolkningen av kvantemekanikken ved bare å måle hvilken som er riktig.
Fysikk er langt fra fullført. Det blir stadig vanskeligere å teste nye grunnleggende teorier, men vi utvider gradvis grensene for mange eksisterende eksperimenter. Det kan være ny fysikk der ute et sted; vi trenger bare å øke energien, nøyaktigheten og se etter stadig mer subtile effekter. Hvis naturen er snill med oss, kan vi i dette tiåret ødelegge standardmodellen og reise til et nytt univers utover.
ILYA KHEL
