Hypotetisk partikkelkalender: 21. desember – Leptokvarken

Hvilke partikler finnes i naturen? Vi vet om en hel del – men vi vet også at det må være flere igjen å finne. [Bilde: http://www.particlezoo.net]

Leptokvarken – naturens «ja takk, begge deler»?

Vi vet i dag omtrent hvilke partikler naturen består av. Samtidig er det mange mysterier igjen å forstå, og flere av dem antyder at det finnes enda flere partikler der ute enn de vi har oppdaget hittil. Men hvilke? Hva slags egenskaper må de ha, hvordan kan de lages, og ikke minst hvordan kan de eventuelt oppdages? I den stille adventstid gir kollokvium deg en hypotetisk partikkel hver dag, og ser fremover mot de store oppdagelsene fysikere kan håpe å gjøre i årene som kommer.

Såvidt vi vet i dag finnes det seks kvarker i naturen – opp og ned, sjarm og sær, topp og bunn. De kommer, som antydet, i tre naturlige par, kalt generasjoner. Tre generasjoner – ikke færre, ikke flere. Hvorfor det?

Samtidig finnes det seks leptoner i naturen, som også kommer i tre par eller generasjoner. Elektronet og dets elektron-nøytrino, myonet og dets myon-nøytrino, og tau og dets tau-nøytrino. Tre generasjoner – ikke færre, ikke flere. Hvorfor det?

Og hvorfor er det like mange generasjoner kvarker som det er leptoner?

Og hvorfor er det både kvarker og leptoner i naturen? Har de virkelig ingenting med hverandre å gjøre, slik det ser ut som i dagens standardmodell for partikkelfysikk?

Dette er dype spørsmål. En naturlig tanke – ihvertfall for partikkelfysikere – er at det kan finnes en sammenheng her som vi bare ikke har oppdaget enda. En eller annen mekanisme som gjør det naturlig med tre generasjoner kvarker og leptoner, og som binder dem sammen.

En ny partikkel, med andre ord, eller et sett med dem.

Leptoner eller kvarker til teen? Ja takk, begge deler.

Leptoner eller kvarker til teen? Ja takk, begge deler.

Dette er leptokvarken. En partikkel som både er en kvark (på partikkelspråket: den har baryontall, slik ellers bare kvarkene har) og et lepton (den har leptontall, som ellers bare leptonene har). Den må være tung, ellers hadde vi alt oppdaget den, men ellers står teoretikerne ganske fritt til å finne på egenskaper til den. Leptokvarker er forutsagt av noen typer technicolor, som vi så på i går, og av en rekke av teoriene som prøver å finne en felles matematisk beskrivelse av alle naturkreftene – såkalte Grand Unified Theories (GUTs).

Leptokvarken hadde neppe vært en særlig berømt deltaker på slektstreffet til hypotetiske partikler, om det ikke var for noe som skjedde i 1997. Da dukket det opp rapporter fra Hamburg om at man hadde sett noe uventet ved laboratoriet DESY. DESY kjørte da akseleratoren HERA («Hadron Elektron Ring Anlage»), der man kolliderte elektroner med protoner. Etter å ha studert resultater- bilder av kollisjoner – fra flere år med eksperimenter ble det annonsert at man så litt for mange av en type bilde. Og ikke nok med det: Det var to helt uavhengige eksperimenter, med hvert sitt partikkel-kamera, som så det samme resultatet.

Hva kunne det være de så? En ting er ihvertfall sikkert: Når to uavhengige kilder rapporterer det samme så styrker det resultatet, ikke sant?

Her er et utdrag fra en artikkel fra et amerikansk forskningsmagasin fra 1997:

But both teams saw the same thing, he notes, which leads to a third possibility: «Maybe there’s some new physics out there.» The strange results could indicate the split-second existence of a whole new type of particle: a leptoquark.
 
The leptoquark, a hybrid of lepton and quark, has been imagined by particle theorists for at least two decades, often as a feature in various unfinished versions of the «Grand Unified Theory,» a kind of physics Holy Grail. Such a particle, in most estimates, would require great energy to create. It would be massive, almost the weight of a lead atom, and would decay very quickly to some more stable form.
 
Up until now, however, despite the speculation, no one has ever seen evidence that the leptoquark does exist. Nor, Whitmore emphasizes, is it at all clear that he and his colleagues are seeing such evidence now. «We need more events to make any kind of case,» he says. «We’ll have to wait for another year’s data at least.»

Man lurte altså på om man hadde sett leptokvarken i 1997. Grunnen var at en teori hadde forutsagt muligheten for at de skulle kunne se noe slikt i kollisjonene ved HERA, og når det så dukket opp spennende bilder var konklusjonen nærliggende.

Likheten med pressemeldingen fra CERN 4. juli 2012, der de annonsererte oppdagelsen av «en partikkel konsistent med den lenge ettersøkte Higgs-partikkelen» er slående:

At a seminar held at CERN today as a curtain raiser to the year’s major particle physics conference, ICHEP2012 in Melbourne, the ATLAS and CMS experiments presented their latest preliminary results in the search for the long sought Higgs particle. Both experiments observe a new particle in the mass region around 125-126 GeV.
(…)
The results presented today are labelled preliminary. They are based on data collected in 2011 and 2012, with the 2012 data still under analysis. Publication of the analyses shown today is expected around the end of July. A more complete picture of today’s observations will emerge later this year after the LHC provides the experiments with more data.

I begge tilfellene er «oppdagelsen» gjort av to uavgengige eksperimenter, og i begge tilfellene trenger man minst ett år til med data før man kan si noe sikkert.

Likevel vil CERNs partikkel bli stående, uansett om det er Higgs eller ikke, mens HERAs leptokvark raskt forsvant igjen. Hva er forskjellen?

Forskjellen ligger i hvor god statistikk man har før man hevder at man har «oppdaget» noe. CERNs resultater ble annonsert først når de var så sikre at det skal et mirakel til om resultatene er gale. HERAs resultater, derimot, ble diskutert og kunngjort da de enda bare var små, spede hint. Ved nærmere ettersyn og med ett år til med data så forsvant hele «oppdagelsen», og leptokvarken forble hypotetisk. Det har den også vært årene etter 1997, for hverken HERA, TeVatron, LHC eller noen andre har så langt sett ytterligere tegn til den.

Denne historien, og flere som den, illustrerer hvorfor partikkelfysikere insisterer på å ha så vanvittig god statistikk før de hevder at noe er «oppdaget», og hvorfor vi per i dag nekter å si at det ER Higgs-partikkelen CERN har funnet. Det er så lett å bli lurt, å bli revet med, særlig når to eksperimenter plutselig ser samme spennende hint. Partikkelfysikk er vanskelig nok om vi ikke skal la oss blende av muligheten for å få det resultatet vi ønsker. Tallene og resultatene må få tale, ikke forskernes tolkninger – så langt som mulig ihvertfall.

Leptokvarken ble ikke funnet i 1997, heller ikke senere. Vi vet dermed fortsatt ikke hvorfor det er tre generasjoner av kvarker og tre generasjoner av leptoner, eller om det kan være en sammenheng mellom dem. Det må bare tiden og flere eksperimenter vise.

Legg igjen en kommentar

Fyll inn i feltene under, eller klikk på et ikon for å logge inn:

WordPress.com-logo

Du kommenterer med bruk av din WordPress.com konto. Logg ut / Endre )

Twitter picture

Du kommenterer med bruk av din Twitter konto. Logg ut / Endre )

Facebookbilde

Du kommenterer med bruk av din Facebook konto. Logg ut / Endre )

Google+ photo

Du kommenterer med bruk av din Google+ konto. Logg ut / Endre )

Kobler til %s