Hvad vi ikke ved i fysik

Stående på brandtrappen på sit kontor i Genève, Schweiz, nyder assisterende professor i fysik Steven Nahn, PhD '98, aftenluften, mens han opregner nogle af universets største mysterier. Spørgsmålet, han arbejder på, siger han, er så simpelt, at et barn kan stille det: Hvor kommer massen fra?

Kosmisk detektiv: Professor Gabriella Sciolla har bygget et apparat til at opdage mørkt stof.

At besvare det kræver at forklare, hvorfor de fundamentale partikler, der udgør alt stof i universet, har masse. Så Nahn og omkring 30 andre MIT-forskere og -studerende arbejder på eksperimenter til at køre på Large Hadron Collider, den nye partikelaccelerator baseret på European Organisation for Nuclear Research. LHC er en øvelse i ekstremer: Ved temperaturer nær det absolutte nulpunkt vil den accelerere partikler til de højeste energier, der nogensinde er opnået eksperimentelt, idet dens tusindvis af kraftige magneter leder protoner langs en cirkulær bane 27 kilometer i omkreds, indtil de kolliderer. Instrumentet er beregnet til at være fuldt operationelt senere i år, og Nahn regner med, at han vil bruge halvdelen af ​​året på at arbejde der; hans studerende og andre forskere tilbringer det meste af deres tid på LHC. Hver af dem ønsker at være en del af holdet, der undersøger et af de største spørgsmål inden for fysik.

Jeg finder det ironisk, funderer Nahn. Det virker som et meget simpelt spørgsmål, men det kræver en enorm accelerator og tusindvis af fysikere, der arbejder på det, for at forsøge at finde det rigtige svar.

Mange af de andre spørgsmål, der driver MIT-fysikere, er lige så grundlæggende. En anden stor, som LHC-eksperimenter kunne løse, vedrører arten af ​​omkring 23 procent af universet - det såkaldte mørke stof, hvis eksistens udledes af gravitationseffekter på synlige objekter. Fysikere ved simpelthen ikke, hvad det er. Hvor er alle tingene? siger Nahn halvt i spøg. Du skulle tro, vi ville vide det.

Yderligere Information : 'Hvad vi ellers ikke ved'

At være fysiker er at pusle over, hvad vi andre tager for givet – at objekter har masse, at universet består af stof i stedet for antistof, at tyngdekraften virker.

Fysikere over hele verden arbejder nu på at udvide og revidere universets stykliste - det, der er kendt som standardmodellen, en kompakt destillation af omkring 100 års forskning, som forsøger at beskrive de partikler og kræfter, der står for alle fysiske fænomener. Standardmodellen inkluderer 12 fundamentale partikler, der udgør stof, som vi kender det, plus deres lige store, men modsatte antipartikler. Det inkluderer de fire grundlæggende kræfter, der styrer interaktioner mellem partikler: tyngdekraft, elektromagnetisme (som er ansvarlig for lys, magnetisme og elektricitet) og de stærke og svage kræfter (som medierer interaktionerne inden for atomkerner). Og det inkluderer partikler, der bærer de fire kræfter - selvom den, der bærer tyngdekraften, forbliver hypotetisk.

Denne ramme binder alt sammen, som partikelfysikere ved er sandt. Det fortæller os, at atomkerner, der engang blev anset for at være udelelige, består af protoner og neutroner; protoner og neutroner er yderligere delbare i partikler kaldet kvarker, som holdes sammen af ​​den stærke kraft, hvis bærer er gluonen.

Professor Frank Wilczek, der vandt Nobelprisen i fysik i 2004 for sit arbejde med den stærke kraft, siger, at standardmodellen er en god arbejdsbeskrivelse af, hvordan verden fungerer. Men det hele hænger ikke så godt sammen, som han og andre synes, det burde. Manglen på eksperimentelle beviser for tyngdekraftens bærer, graviton, er en kilde til frustration – selvom MIT-fysikere har spillet en pionerrolle i forsøget på at opdage det og i øjeblikket opgraderer maskineri, der kan være de første til at lykkes (se Catching Einstein's Waves, maj /Juni 1008). Og det er blot en af ​​flere store løse ender, som MIT-fysikere forsøger at binde sammen.

Til det formål bygger de mørkestofdetektorer; at søge efter fundamentale partikler, der komplementerer dem, vi kender; og venter spændt på resultaterne af partikelkollisioner ved LHC, som endelig vil give fysikere mulighed for at teste årtiers teoretisk arbejde på disse barske matematiske beskrivelser af vores univers.

Hvorfor har tingene masse?

For Nahn er den mest spændende manglende brik i puslespillet masse. Hvis du bare tager den nøgneste teori, ville den fortælle dig, at alle [partiklerne] er masseløse, siger han. Uanset om du er en lægmand eller en fysiker bevæbnet med sofistikerede partikeldetektorer, virker denne udsigt absurd. Elektroner, som udgør en ubetydelig del af massen i individuelle atomer, har en masse på omkring 0,0005 giga-elektron-volt (GeV); den tungeste fundamentale partikel, topkvarken, har en masse på omkring 175 GeV. På en eller anden måde er man nødt til at inkorporere en måde i teorien at generere denne mangfoldighed af masse, siger Nahn. Den enkleste måde at gøre dette på er at placere en anden partikel, som er blevet kaldt Higgs-bosonen. Hvad fotoner er for et elektromagnetisk felt, er Higgs-bosoner for det formodede Higgs-felt, et medium, der omgiver alt i universet og interagerer med elementarpartikler på en måde, der giver dem masse.

Wilczek siger, at uden Higgs-bosonen er vi som en race af intelligente fisk, der ikke ved, at de er nedsænket i vand. Disse fisk ville have en bedre chance for at forstå lovene i deres univers, hvis de indså, at miljøet, de tog for givet, var et materiale, der ændrede den måde, de bevægede sig på, siger Wilczek. På samme måde, hvis vi antager, at det, der forekommer os som tomt rum, er et medium … har vi pænere ligninger end ellers. Men vi ved ikke, hvordan [Higgs-bosonen] ser ud - som om vi ikke havde set vandmolekyler.

Fysikere vil let indrømme, at for de uindviede, påkalder de hypotetiske, aldrig sete partikler for at løse problemer med dine teorier, kan virke konstrueret eller endda, med Nahns ord, en lille smule skørt. Men denne tilgang har vist sig at være fornuftig før. I slutningen af ​​det 19. århundrede udviklede Dmitri Mendeleev det periodiske system og forudsagde flere kemiske grundstoffer, der efterfølgende blev observeret, herunder gallium og germanium. I 1931 postulerede Paul Dirac eksistensen af ​​antistof for at forklare en forvirrende konsekvens af en ligning, han havde udledt for at forene vores forståelse af elektroner med relativitet. Og MIT's Wilczek forudsagde gluonen, som blev direkte opdaget i 1979.

Da Higgs bosoner er meget ustabile, er den eneste måde at observere en på at skabe den i en højenergikollision. Og ingen tidligere partikelacceleratorer var kraftige nok til at producere et pålideligt detekterbart antal Higgs-bosoner, som forudsiges at have en masse mellem 114 GeV og 184 GeV. LHC vil imidlertid smadre protoner sammen med syv gange så høje energier som dem, der opnås med den mest kraftfulde accelerator, der nu er i drift. Vi er nødt til at finde denne Higgs-partikel, eller noget lignende, i denne energiskala, siger Nahn. Fysikere håber, at de finder Higgs, for hvis de ikke gør det, vil de blive tvunget til at konkludere, at standardmodellens masseproblem har en mere kompleks løsning. Men for mange af dem – inklusive Nahn – er det spændende nok bare til endelig at kunne teste Higgsteorien eksperimentelt. Den nye kolliderer, som blev lukket ned for reparationer kort efter åbningen i efteråret, er planlagt til at gå online igen i foråret 2009; indtil da arbejder Nahn og hans elever på software, der vil overvåge driften af ​​en af ​​LHC's detektorer og til sidst analysere de data, den genererer (se The Making of a New Collider, maj/juni 2008).

Er de fire kræfter forenet?

Teoretikere som Wilczek forsøger også at gøre selve standardmodellen mere matematisk smuk og eksperimentelt levedygtig. Hver af de fire kræfter har sit eget sæt af styrende ligninger. Men ligningerne er skæve, siger Wilczek. Han og andre mener dog, at kræfterne er som fire sider af en matematisk terning. De er diskrete, men hver er også en del af en helhed. Wilczek påpeger, at selvom kræfterne generelt har forskellige styrker, for partikler meget tæt på hinanden, har de samme styrke. Dette tyder på, at den matematiske impuls til at bringe kræfterne sammen til en helhed styret af en storslået foreningsteori er på rette vej. Elektromagnetisme og den svage kraft passer matematisk godt nok sammen til, at de allerede ofte omtales som én kraft, den elektrosvage. Ligningerne for den stærke kraft ligner dem for elektromagnetisme og den svage kraft. Den, der er svær at passe ind, siger Wilczek, er tyngdekraften.

Det kan virke mærkeligt, at fysikere sætter så stor tiltro til matematikkens forudsigelser. Men, siger Wilczek, jeg stoler ikke på mine egne meninger, medmindre naturen giver os en vis opmuntring. Det er nok ikke tilfældigt, at ligningerne er så ens, konstaterer han. Kræfterne behøvede ikke at samles, siger han. Ligningerne behøvede ikke at ligne forskellige flader af den samme terning.

Wilczek har endnu ikke haft den tilfredsstillelse at se ensretning blive udført eksperimentelt: fysikere har simpelthen ikke haft midlerne. Der er dog en måde at teste teorien på. Tilføjelse af endnu en batch af partikler til standardmodellen får matematikken til forening til at fungere. Hver af disse teoretiske supersymmetriske partikler ville interagere med andre partikler på samme måde, som en af ​​de kendte partikler gør, men ville være meget mere massiv. Wilczek håber, at LHC's højenergikollisioner vil producere mindst én supersymmetrisk partikel. Teoretikere som ham har arbejdet med spørgsmål i årtier uden at være i stand til at teste dem; nu, siger han, er eksperimentelerne ved at indhente det.

Hvad er mørkt stof?

Gabriella Sciolla, en lektor i fysik ved MIT, håber at validere supersymmetri gennem eksperimenter med mørkt stof. Fysikere ved, fra at observere tyngdekraftens vekselvirkninger mellem galakser og andre himmellegemer, at der er meget mere masse i universet, end de kan redegøre for ved at lede efter de typer, som standardmodellen identificerer. Denne manglende masse kaldes mørkt stof, fordi den ikke interagerer med fotoner. Det kan ikke ses med optiske eller røntgenteleskoper. Selvfølgelig er jeg lidt forudindtaget, men for mig er det mest interessante åbne spørgsmål i fysik, hvad er mørkt stof? siger Sciolla. En simpel forklaring er, at den består af en eller flere af de supersymmetriske partikler.

I indvolden af ​​Building NW13, i et rum uden vinduer, som hendes forskningsgruppe kalder fangehullet, tester Sciolla et nyt apparat kaldet Dark Matter Time Projection Chamber - i det væsentlige en stor gastank i rustfrit stål flankeret af to digitale kameraer . Princippet bag detektoren er enkelt. Når en partikel af mørkt stof rammer et gasatom, vil atomet trække sig tilbage og banke løse elektroner, som vil blive opdaget af kameraerne. Ved at spore disse elektroners veje vil Sciolla ikke kun kunne se, at en partikel ramte, men fra hvilken retning. Det vil være vigtigt for at fastslå, at detektoren faktisk ser mørkt stof, ikke noget andet. Hvis, som mange fysikere tror, ​​vores galakse roterer gennem et stationært område af mørkt stof, så burde det mørke stof ramme atomerne i Sciollas detektor som regn, der rammer forruden på en kørende bil. Retningen af ​​denne regn bør variere med omkring 90º hver 12. time, fordi Jordens rotationsakse er omkring 45º i forhold til det mørke stof.

Sciolla og hendes forskergruppe vil placere deres detektor i et underjordisk laboratorium for at isolere den fra kosmiske stråler, en stor kilde til støj, og de vil bruge 2009 på at indsamle foreløbige data for at bevise, at konceptet virker. Om et år håber Sciolla at have en detektor på én kubikmeter, der vil være 50 gange så følsom; om fem år håber hun at have en detektor så stor som et par hundrede kubikmeter.

At finde mørkt stof partikler ville være fysikerens ækvivalent til at vinde jackpotten. Alle disse store spørgsmål i fysik hænger på en eller anden måde sammen, siger Sciolla. Mørkt stof er det eneste svar, der ville tilfredsstille så mange forskellige ubesvarede spørgsmål inden for forskellige fysikområder. At opdage det ville give stærke beviser for supersymmetri.

Hvis mørkt stof viser sig ikke at bestå af supersymmetriske partikler, men af ​​axioner, hypotetiske partikler, som Wilczek gjorde et vigtigt arbejde for at beskrive, kunne denne opdagelse komme til et andet stort spørgsmål. Aksioner figurerer fremtrædende i en esoterisk teori, der forklarer, hvorfor stof – i modsætning til antistof – hersker i universet, selvom Big Bang producerede alle partiklerne og deres antipartikler i lige mange.

Hvad er mørk energi?

Selvom mørkt stof opdages og dets natur afsløres, rejser et andet mærkeligt fænomen, som fysikere har kaldt mørk energi, mange andre spørgsmål. Galakser bliver skubbet fra hinanden af ​​en eller anden frastødende kraft, forklarer Edmund Bertschinger, leder af fysikafdelingen. Målingerne fra det sidste årti fortæller os, at noget, der ligner gravitationel frastødning, har overtaget universet. Det vil sige, at universet udvider sig med en accelererende hastighed, men fysikere ved ikke hvorfor. Er det på grund af mørk energi? Eller er mørk energi bare et koncept, der lapper over en misforståelse af fysikkens love?

På trods af ligheden i deres navne, er mørk energi sandsynligvis fuldstændig uden relation til mørkt stof - og er et meget større mysterium. Der er plausible forklaringer på mørkt stof, siger Bertschinger. Vi har ikke plausible modeller for mørk energi, der giver mening i sammenhæng med højenergifysik. Arbejde udført af Bertschinger og mange andre har vist, at tests for at skelne mellem mørk energi og en modificeret form for tyngdekraft vil være meget vanskelige at udvikle. Bertschinger laver dog teoretisk arbejde, som han håber vil føre til sådanne tests i løbet af det næste årti.

Det er en stor tid inden for fysik, siger Sciolla. Alt får svar i de næste par år, håber vi. Og så hvad? Jamen, så er hun og hendes kolleger måske uden arbejde, joker Sciolla. Men, tilføjer hun, jeg er sikker på, at der vil være masser af nye spørgsmål, som vil være ubesvarede.

skjule