Hypotetisk partikkelkalender: 23. desember – van den Aarsen-Bringmann-Pfrommer-partikkelen

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]

«van den Aarsen-Bringmann-Pfrommer-partikkelen» – en hypotetisk partikkel så fersk at den enda ikke har noe navn?

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.

Nye partikler foreslås ikke for å forklare allerede kjent fysikk. De dukker i steden opp i grenselandet mellom det kjente og det ukjente, som mulige mekanismer som kan øke forståelsen vår av hvordan naturen virker. I dag er et av de brennende spørsmålene innen moderne fysikk hvordan universet henger sammen på stor skala – kosmologien – og jammen kommer det forslag om nye partikler her også.

Bak dagens luke rapporterer vi fra forskningsfronten, mer bestemt fra artikkelen «Is Dark Matter with Long-Range Interactions a Solution to All Small-Scale Problems of Λ Cold Dark Matter Cosmology?» publisert i erverdige Pysical Review Letters 3. desember 2012. Forfatterne bak ideen er Laura G. van den Aarssen, Torsten Bringmann og Christoph Pfrommer, så for anledningen døper vi deres ferske, hypotetiske, ennå navnløse partikkel til «van den Aarsen-Bringmann-Pfrommer-partikkelen».

Nydelig simulering av universets struktur på stor skala. Men hvorfor ser den akkurat sånn ut? Detaljene er tåkete - både i simuleringen og i forståelsen vår...

Nydelig simulering av universets struktur på stor skala. Men hvorfor ser den akkurat sånn ut? Detaljene er tåkete – både i simuleringen og i forståelsen vår…

Vi regner i dag med at energien i universet består av omtrent 5% vanlig stoff – det som beskrives av standardmodellen for partikkelfysikk – og 95% greier vi ikke vet hva er. Av disse greiene mener vi også å vite at omtrent 20% av totalen er mørk materie – som vi har sett flere forslag til identiteten til tidligere i kalenderen – og resten «mørk energi», forklart av en kosmologisk konstant (se denne artikkelen for mer). Denne typen modell av universet kalles ΛCDM (lambda-se-de-em), og er veldig fin. For skikkelig store ting ihvertfall. For små ting – sånn som galakser og sånt – så har den litt problemer. ΛCDM-modellene forutsier noen områder i rommet der det formes små, svake galakser – disse har vi ikke sett. De forutsier en annen fordeling av mørk materie inne i galakser enn det eksperimenter i dag tyder på. Melkeveien – vår galakse – burde også hatt noen store, tunge klumper rundt seg som vi ikke ser.

ΛCDM-modellene passer med andre ord ikke med alle observasjone. Bør ikke teorien da skrotes? Nei – ikke hvis det kan vises at den er ufullstendig, og at noe kan legges til eller trekkes fra den slik at alt passer. Nettopp dette er det van den Aarsen, Bringmann og Pfrommer har gjort – ved å foreslå (nok) en ny, hypotetisk partikkel.

van den Aarsen-Bringmann-Pfrommer-partikkelen må være en lett partikkel som reagerer med mørk materie, og som også svakt, svakt reagerer med nøytrinoer. Det som skjer da er at all den mørke materien der ute får en ekstra måte å kommunisere på, og kan følgelig klumpe seg på andre måter enn hvis det bare var tyngdekraften og den svake vekselvirkningen som bestemte. Det blir litt som å lure på hvordan en gjeng tenåringer klarer å møtes på samme kafé til samme tid, og så innse at «dæng, de har jo mobiltelefoner»…

Artikkelen er forbilledlig konkret i hvordan den nye partikkelen bør oppføre seg, og de forutsier egenskapene dens ut fra hvor tung partikkelen bak mørk materie viser seg å være. De viser at det blir veldig vanskelig å oppdage den nye partikkelen i et eksperiment på jorden – som vi vet det må være, ellers hadde vi alt oppdaget den – men at den vil kunne sees i store nøytrino-eksperimenter. IceCUBE, for eksempel, som ligger begravet i isen på sydpolen. Hvis de ser et sterkt nøytrino-signal med en viss energi – rundt 1 Terra-elektronvolt for de nysgjerrige – fra midten av galaksen, så mener de at det vil være en «smoking gun» for teorien deres. Når forskere bruker den formuleringen så mener de at «hvis dere ser dette så skal vi grave frem artikkelen vår og hevde at vi forutså det, og så bli berømte». Noe de antakeligvis også blir, for de viser i artikkelen at «van den Aarsen-Bringmann-Pfrommer-partikkelen» – hvis den finnes – kan løse veldig mange av problemene til ΛCDM-kosmologi på en gang.

Hypotetiske partikler er altså ikke bare noe man drev med på 60- og 70-tallet, slik denne kalenderen kanskje har antydet. Partikkel-leken lekes i aller høyeste grad i dag også, og dyrehagen av hypotetiske partikler får nye bur – og dermed nye dyrepassere – hvert eneste år.

PS: En av de tre forfatterne av artikkelen, Torstein Bringmann, er nylig ansatt som 1.amanuensis i teoretisk fysikk ved Fysisk Institutt, Universitetet i Oslo, fra oktober 2013. Are Raklev, en av hans kommende kolleger, uttaler til kollokvium at «Det lover godt for nye partikler i et nytt år!» Vi gleder oss over nyheten, og venter spent på å kunne rapportere flere partikkeloppfinnelser fra våre egne universiteter oppunder jul neste år.

Kilde: Is Dark Matter with Long-Range Interactions a Solution to All Small-Scale Problems of Λ Cold Dark Matter Cosmology? Laura G. van den Aarssen, Torsten Bringmann, and Christoph Pfrommer, Phys. Rev. Lett. 109, 231301 (2012)

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