Dansk fysikprofessor: »Fysikerne har et forklaringsproblem«
De første eksperimenter ved LHC er dårligt nyt for en teori, som var udtænkt som en redningsplanke for fysikkens Standardmodel.
Professor Benny Lautrup fra Niels Bohr International Academy deltager ikke selv i eksperimenterne ved Cern, men har godt kendskab til de teorier, som eksperimenterne skal efterprøve. Og i øjeblikket ser det ikke godt ud for teorien om supersymmetriske partikler. (Foto: Das Büro)
Tema
Læs også
-
Cern præsenterer de første resultater i jagten på Higgs-partiklen
-
Nu skal Higgspartiklen i hus: LHC kører videre i to år uden stop
Læs mere om
For nyligt har Cern-forskere offentliggjort de første analyser af forsøgene ved Large Hadron Collider. Som ventet er der kun ganske lidt at fortælle om den sagnomspundne Higgsboson - der er simpelthen ikke indsamlet nok data endnu.
Mere overraskende er det dog, at forskerne heller ikke har set så meget som en antydning af såkaldte supersymmetriske partikler i eksperimenterne. Der tales nu åbent i fysikkredse om, at det ikke ser særligt godt ud for teorien om de supersymmetriske partikler.
»Fysikerne har et forklaringsproblem, hvis de supersymmetriske partikler ikke findes, men vi må nok vente et års tid, før vi kan udtale os med større sikkerhed,« siger professor Benny Lautrup fra Niels Bohr International Academy.
Han deltager ikke selv i eksperimenterne ved Cern, men har godt kendskab til teorierne, som eksperimenterne har til hensigt at efterprøve - ikke mindst den såkaldte Standardmodel.
Den beskriver, hvordan naturen er opbygget af tre generationer af partikler, der hver består af to kvarker i tre udgaver, en elektron eller elektronagtig partikel og en neutrino, samt et sæt partikler, der overfører de fundamentale naturkræfter (bortset fra tyngdekraften, som ikke er omfattet af Standardmodellen): fotonen, gluonerne samt Z- og W-partiklerne.
Selv om Standardmodellen er efterprøvet gang på gang og altid har bestået med bravur, ved fysikerne, at modellen ikke er fuldendt.
I modellen indgår et særligt felt og en tilknyttet partikel, som forklarer, hvorfor partiklerne har forskellig masse - og nogle som fotonen er uden masse. Dette felt, kaldet Higgsfeltet, og den tilknyttede partikel, Higgsbosonen, er opkaldet efter Peter Higgs fra Edinburgh, som er en af flere fysikere, der for omkring 50 år siden forudsagde deres eksistens.
Efter en kort vinterpause er eksperimenterne med LHC i sidste uge blevet genoptaget. Inden for de næste 18 måneder håber fysikerne at kunne påvise eksistensen af Higgsbosonen. Den er ikke en stabil partikel, så fysikerne skal identificere de partikler, den henfalder til, og de spor disse partikler sætter i de tonstunge detektorer i LHC.
Det er forklaringen på, at der skal indsamles data fra milliarder af kollisioner, og der skal en omfattende analyse til, før fysikerne med sikkerhed - forventeligt i 2012 eller 2013 - kan erklære, at Higgsbosonen er fundet. Benny Lautrup har kun en lille tvivl:
»Man kan frygte, at Higgsbosonen har så kort levetid, at dens masse derfor ikke er veldefineret - i det værste tilfælde kan man måske dårligt kalde den en partikel. Og så kan den være svær at finde og forklare.«
Hvordan kan vi alligevel være rimeligt sikre på, at Higgsbosonen vil blive fundet ved LHC?
»Higgsbosonen er bl.a. med til at regulere egenskaberne for W- og Z-partiklerne. For at det regnestykke skal gå op, skal Higgsbosonens masse være under 1.000 GeV (fysikere regner ofte masse i energienheder, 1 GeV svarer nogenlunde til protonens masse omregnet i energienheder, red.). Mange formoder, at massen er nede omkring 120 GeV. Det område dækker LHC til fulde.«
Hvilken betydning spiller de supersymmetriske partikler for dette?
»Supersymmetriske partikler er som udgangspunkt matematiske spidsfindigheder. Når man med fysikkens kvantefeltligninger skal beregne en partikels masse, løber man ind i problemet, at beregningen divergerer, så massen bliver uendelig. Viser man kvantefeltligningerne til matematikerne, vil de sige, at de er nonsens. Der findes en kendt metode til at omgå dette problem ved beregning af bl.a. elektronens masse, hvor divergensen er logaritmisk og dermed langsom - det kaldes renormalisering. Når vi skal beregne massen for Higgspartiklen, er divergensen derimod kvadratisk. Det er meget sværere at håndtere. En løsning kom, da flere gjorde opmærksom på, at hvis alle Standardmodellens partikler har en supersymmetrisk partner, ville denne divergens blive ophævet - en negativ uendelighed vil modsvares af en positiv uendelighed. Supersymmetri er en 'redningsplanke' i Standardmodellen.«
Hvorfor kan det blive et problem for Standardmodellen, hvis LHC ikke finder supersymmetriske partikler?
»Hvis supersymmetri skal fjerne divergensen for Higgsbosonen, må de letteste supersymmetriske partikler nødvendigvis energimæssigt findes i nabolaget. Hvis de er meget tungere end Higgsbosonen, og de derved ikke kan dannes i LHC, vil det kræve en helt utrolig fintuning af deres parametre for, at de kan 'udføre deres arbejde' - det er der ikke mange, der tror på.«
Kan man have nogen tiltro til supersymmetri, hvis modellen som udgangspunkt blot er et matematisk fiks?
»Der er ikke noget i vejen med, at supersymmetri er udtænkt matematisk. Vi har mange eksempler på partikler og teorier, som først er formuleret matematisk ud fra ren spekulation, som sidenhen er eftervist eksperimentelt. Jeg har dog aldrig selv syntes, at modellen er videre elegant.«
Hvad er situationen, hvis de supersymmetriske partikler ikke findes?
»Så har vi et problem. Teoretikerne kan sagtens komme med bud på alternative forklaringer. Men det kan være et problem at undersøge sådanne teorier.«
Hvorfor det?
»Fysikken har været båret frem af, at teori og eksperimenter gik hånd i hånd. Sådan er det også stadig inden for mange områder, men inden for partikelfysik skiltes vejene engang i 1980'erne, da teoretikerne begyndte at formulere strengteorier med 10 og 11 dimensioner, hvor de fleste er sammenkrøllede og kun er synlige ved et energiniveau, som kun fandtes i universet umiddelbart efter Big Bang. Hvor eksperimentalfysikerne med LHC studerer energier i området op til 1.000 GeV eller nogle få TeV, så arbejder strengteoretikerne med energier, der er 17 størrelsesordner højere. Der findes en hel generation eller to af teoretiske højenergifysikere, som er uddannet utroligt langt fra den virkelighed, vi kender og kan undersøge.«
Hvilken betydning får det for partikelfysikken?
»Hvis man har sendt tre ekspeditioner ud for at finde enhjørningen, men ikke fundet den, så er det svært at argumentere for at sende en fjerde kostbar ekspedition af sted. På samme måde er det med partikelacceleratorer. Hvis der ikke kommer nye opdagelser ud af LHC, bliver det svært at argumentere for fremtidige endnu kraftigere acceleratorer, som måske blot kan medvirke til at afdække endnu et energiområde, hvor der heller ikke sker noget spændende. Det kan betyde, at pengene til LHC har været spildt, men inden for forskning - og kunst - er det nødvendigt at vove at give penge til projekter, der måske ikke lykkes. Ellers når man ikke derud, hvor 'enhjørningerne' måske færdes,« siger Benny Lautrup.
