En verden av det teensy-bittesmå, kvanteområdet, kan ha en favorittsmak.
Vi snakker ikke om itty-bitty iskrem, selvfølgelig. Verden av partikler er delt inn i tre leire, kalt "smaker" (ikke spør hvorfor). For eksempel representerer elektronene en smak, og det er to andre partikler med nesten identiske egenskaper, muon og tau, som har sine egne smaker. Vi har lenge mistenkt - men ikke bevist - at alle tre smakene skal være på lik linje.
Men mange år med kolliderforsøk begynner å antyde at kanskje ikke alt er jevnt.
Resultatene fra disse eksperimentene er fremdeles tentative og ikke signifikante nok til å hevde den faste oppdagelsen av en sprekk i bibelen til partikkelfysikk kalt standardmodellen. Imidlertid, hvis resultatene holder opp, kan det åpne porten for å forstå alt fra mørk materie til universets opprinnelse. Du vet, store uløste problemer i moderne fysikk.
Standard smaker
Standardmodellen for partikkelfysikk hersker som suverent, og bestått vellykket angrep av tester fra eksperimenter rundt om i verden i løpet av flere tiår. Denne teorien forener vår forståelse av tre av de fire grunnleggende kreftene i universet - elektromagnetisme, sterkt kjernefysisk og svakt kjernefysisk - under et eneste kvantebanner. Alt i alt er det den mest velprøvde teorien i all vitenskap, som er i stand til å forklare en lang rekke grunnleggende interaksjoner.
Med andre ord, du bare ikke rote med Standard Model.
Og likevel, vi vet at dette bildet av den underatomiske verdenen langt fra er perfekt. Bare for å nevne noen eksempler, forklarer det ikke nøytrino-masser eller gir oss en pekepinn om mørk materie. Det overveldende flertallet av fysikere mener at det er en annen teori, så langt ukjent, som omfatter alt Standardmodellen er i stand til å forklare og tingene den ikke kan.
Den tøffe tingen er at vi ikke vet hvordan den teorien ser ut eller hvilke spådommer den kan gjøre. Så ikke bare vet vi ikke de fulle svarene på livet, universet og alt derimellom, vi vet heller ikke hvordan vi får svarene.
For å finne antydninger til "En bedre teori", er forskere på jakt etter eventuelle ufullkommenheter eller falske forutsigelser av standardmodellen - en sprekk i den teorien kan kanskje åpne døren for noe større.
En av de mange prediksjonene av standardmodellen angår leptonene, som er små, ensomme partikler som elektroner eller kvarker. Leptonene er gruppert i tre klasser, kjent som generasjoner eller smaker avhengig av hvilken fysiker du spør. Partikler med forskjellige smaker vil dele alle de samme egenskapene, bortsett fra at de har forskjellige masser. For eksempel har elektronet, muon og tau-partikkelen alle den samme elektriske ladningen og spinnet, men muonet oppveier elektronet, og tau enda mer - de har forskjellige smaker.
I henhold til standardmodellen skal disse tre smakene av elektronet oppføre seg nøyaktig det samme. Grunnleggende interaksjoner bør produsere hver av disse med lik sannsynlighet; naturen kan ganske enkelt ikke fortelle forskjellen mellom dem, så den favoriserer ikke en smak fremfor en annen.
Når det gjelder de tre smakene, tar naturen den napolitanske tilnærmingen: alle sammen.
Et vakkert resultat
Det er all teori, men det bør testes. Gjennom årene har forskjellige eksperimenter, som de som ble utført i Large Hadron Collider ved CERN og BaBar-anlegget, hvor grunnleggende partikler blir smadret sammen i massive kollisjoner. De resulterende partiklene produsert fra disse kollisjonene kan gi ledetråder for hvordan naturen fungerer på det dypeste av nivåene. Og noen av disse kollisjonene er designet for å se om naturen liker en smak av lepton i forhold til de andre.
Spesielt liker en slags partikkel, kalt bunnkvarken, virkelig å forfalle til leptoner. Noen ganger blir det et elektron. Noen ganger en muon. Noen ganger en tau. Men uansett hva, alle tre smakene har en like stor sjanse til å komme ut av vrakpanten.
Fysikere har klart å samle hundrevis av millioner av slike bunnkvarkforfall, og for noen år siden dukket det opp noe rart i dataene: Naturen så ut til å favorisere taupartikler i disse interaksjonene litt mer enn de andre leptonene. Det var imidlertid knapt statistisk signifikant, så det var lett å bølge bort disse resultatene som et rent statistisk felle; kanskje vi bare ikke hadde kjørt nok av kollisjonene for at alt skulle jevnes ut.
Men som årene har gått, har resultatet satt seg fast, som fysiker Antonio Pich, fra University of Valencia i Spania, påpeker i en gjennomgang av denne forskningen som ble publisert i forhåndstrykkdatabasen arXiv i november. Naturen ser ganske sta ut når det gjelder dens tilsynelatende favorisering av tau-partikkelen. Resultatet er fremdeles ikke avgjørende, men dets utholdenhet gjennom årene og på tvers av forskjellige eksperimenter har gjort det til en skikkelig hode-skraper.
Ikke-så-standard modell
I standardmodellen får de forskjellige smakene av leptoner sin… vel, smak… gjennom sine samspill med Higgs boson: Jo mer en smak samhandler med Higgs, jo større er dens masse. Men ellers skiller ikke naturen seg mellom dem, derav spådommen om at alle smaker skal vises likt i alle interaksjoner.
Men hvis disse såkalte "smaksanomaliene" virkelig er et reelt trekk i universet vårt og ikke bare noen feil i datainnsamlingen, så trenger vi noen måte å forklare hvorfor naturen skal bry seg mer om tau-partikkelen enn elektron eller muon. En mulighet er at det kan være mer enn en slags Higgs-boson som flyr rundt - en for å skaffe massene av elektron og muon, og en annen som er spesielt glad i tau, slik at den kan komme ut av interaksjoner oftere.
En annen mulighet er at det er ekstra partikler som snakker med tau - partikler som vi ikke har sett i eksperimenter ennå. Eller kanskje er det noen grunnleggende symmetri av naturen som bare avslører seg gjennom hviskene av leptonreaksjoner - med andre ord, en ny naturkraft som bare vises i disse obskure, sjeldne interaksjonene.
Inntil vi legger bevisene fast (akkurat nå, er den statistiske betydningen av denne forskjellen rundt 3-sigma, som representerer 99,3% sjanse for at dette resultatet bare er en fluke, mens "gullstandarden" for partikkelfysikk er 5-sigma, eller 99,97%), kan vi ikke vite med sikkerhet. Men hvis bevisene strammes opp, kan vi potensielt bruke denne nye innsikten til å finne ny fysikk utover Standardmodellen, og åpne for muligheten for å forklare det for tiden uforklarlige, som fysikken i det aller tidlige universet eller hva pokker som foregår med mørk materie.
