211service.com
Vad vi inte vet inom fysik
Stående på brandtrappan på sitt kontor i Genève, Schweiz, njuter biträdande professor i fysik Steven Nahn, PhD '98, av kvällsluften när han räknar upp några av universums största mysterier. Frågan han arbetar med, säger han, är så enkel att ett barn kan ställa den: var kommer massan ifrån?
Kosmisk detektiv: Professor Gabriella Sciolla har byggt en apparat för att upptäcka mörk materia.
Att svara på det kräver att man förklarar varför de fundamentala partiklarna som utgör all materia i universum har massa. Så Nahn och ett 30-tal andra MIT-forskare och studenter arbetar på experiment för att köra på Large Hadron Collider, den nya partikelacceleratorn baserad på European Organization for Nuclear Research. LHC är en övning i extremer: vid temperaturer nära absolut noll kommer den att accelerera partiklar till de högsta energier som någonsin uppnåtts experimentellt, dess tusentals kraftfulla magneter leder protoner längs en cirkulär bana 27 kilometer i omkrets tills de kolliderar. Instrumentet är planerat att vara fullt operativt senare i år, och Nahn räknar med att han kommer att tillbringa halva året med att arbeta där; hans studenter och andra forskare tillbringar det mesta av sin tid på LHC. Var och en vill vara en del av teamet som undersöker en av de största frågorna inom fysik.
Jag tycker att det är ironiskt, funderar Nahn. Det verkar vara en väldigt enkel fråga, men det krävs en enorm accelerator och tusentals fysiker som arbetar med den för att försöka ta reda på det rätta svaret.
Många av de andra frågorna som driver MIT-fysiker är lika grundläggande. En annan stor som LHC-experiment kan lösa gäller naturen hos cirka 23 procent av universum - den så kallade mörka materian, vars existens härleds från gravitationseffekter på synliga föremål. Fysiker vet helt enkelt inte vad det är. Var är alla grejer? säger Nahn halvt på skämt. Du skulle tro att vi skulle veta.
ytterligare information : 'Vad mer vi inte vet'
Att vara fysiker är att pussla över vad vi andra tar för givet – att föremål har massa, att universum består av materia istället för antimateria, att gravitationen fungerar.
Fysiker runt om i världen arbetar nu för att expandera och revidera universums delarlista – det som är känt som standardmodellen, en kompakt destillation av cirka 100 års forskning, som försöker beskriva de partiklar och krafter som står för alla fysiska fenomen. Standardmodellen inkluderar 12 fundamentala partiklar som utgör materia som vi känner den, plus deras lika men motsatta antipartiklar. Det inkluderar de fyra grundläggande krafterna som styr interaktioner mellan partiklar: gravitation, elektromagnetism (som är ansvarig för ljus, magnetism och elektricitet) och de starka och svaga krafterna (som förmedlar interaktionerna inom atomkärnor). Och det inkluderar partiklar som bär de fyra krafterna - även om den som bär gravitationen förblir hypotetisk.
Detta ramverk binder samman allt som partikelfysiker vet är sant. Den berättar att atomkärnor, som en gång troddes vara odelbara, består av protoner och neutroner; protoner och neutroner är vidare delbara i partiklar som kallas kvarkar, som hålls samman av den starka kraften, vars bärare är gluonen.
Professor Frank Wilczek, som vann Nobelpriset i fysik 2004 för sitt arbete med den starka kraften, säger att standardmodellen är en bra arbetsbeskrivning av hur världen fungerar. Men allt passar inte ihop så bra som han och andra tycker att det borde. Bristen på experimentella bevis för gravitationens bärare, graviton, är en källa till frustration – även om MIT-fysiker har spelat en pionjärroll i att försöka upptäcka den och håller för närvarande på att uppgradera maskiner som kan vara de första att lyckas (se Catching Einstein's Waves, maj /juni 1008). Och det är bara en av flera stora lösa trådar som MIT-fysiker försöker knyta ihop.
För det ändamålet bygger de mörkmateriadetektorer; leta efter fundamentala partiklar som kompletterar dem vi känner; och väntar ivrigt på resultaten av partikelkollisioner vid LHC, som äntligen kommer att tillåta fysiker att testa årtionden av teoretiskt arbete på dessa skarpa matematiska beskrivningar av vårt universum.
Varför har saker massa?
För Nahn är den mest spännande som saknas i pusselbiten massan. Om du bara tar den minsta teorin, skulle det säga dig att alla [partiklarna] är masslösa, säger han. Oavsett om du är en lekman eller en fysiker beväpnad med sofistikerade partikeldetektorer, verkar denna utsikt absurd. Elektroner, som utgör en försumbar del av massan i individuella atomer, har en massa på cirka 0,0005 giga-elektronvolt (GeV); den tyngsta fundamentala partikeln, toppkvarken, har en massa på cirka 175 GeV. På något sätt måste man inkorporera i teorin ett sätt att generera denna mångfald av massa, säger Nahn. Det enklaste sättet att göra detta är att placera en annan partikel, som har kommit att kallas Higgs-bosonen. Vad fotoner är för ett elektromagnetiskt fält, är Higgs-bosoner för det förmodade Higgsfältet, ett medium som omger allt i universum och interagerar med elementarpartiklar på ett sätt som ger dem massa.
Wilczek säger att utan Higgs-bosonen är vi som en ras av intelligenta fiskar som inte vet att de är nedsänkta i vatten. Dessa fiskar skulle ha en bättre chans att förstå lagarna i deras universum om de insåg att miljön de tog för given var ett material som modifierade hur de rörde sig, säger Wilczek. På liknande sätt, om vi antar att det som för oss framstår som ett tomt utrymme är ett medium ... har vi trevligare ekvationer än annars. Men vi vet inte hur [Higgs-bosonen] ser ut - som om vi inte hade sett vattenmolekyler.
Fysiker kommer lätt att erkänna att för de oinvigda kan det verka konstgjorda eller till och med, med Nahns ord, lite galet att åberopa hypotetiska, aldrig skådade partiklar för att lösa problem med dina teorier. Men detta tillvägagångssätt har visat sig vara bra tidigare. I slutet av 1800-talet utvecklade Dmitri Mendeleev det periodiska systemet och förutspådde flera kemiska grundämnen som sedan observerades, inklusive gallium och germanium. 1931 postulerade Paul Dirac existensen av antimateria för att förklara en förbryllande konsekvens av en ekvation som han hade tagit fram för att förena vår förståelse av elektroner med relativitet. Och MIT:s Wilczek förutspådde gluonen, som upptäcktes direkt 1979.
Eftersom Higgs-bosoner är mycket instabila, är det enda sättet att observera en att skapa den i en högenergikollision. Och inga tidigare partikelacceleratorer var tillräckligt kraftfulla för att producera ett tillförlitligt detekterbart antal Higgs-bosoner, som förutspås ha en massa mellan 114 GeV och 184 GeV. LHC kommer dock att slå samman protoner med sju gånger så höga energier som de som uppnås med den mest kraftfulla acceleratorn som nu är i drift. Vi måste hitta den här Higgspartikeln, eller något liknande, i den här energiskalan, säger Nahn. Fysiker hoppas att de hittar Higgs för om de inte gör det kommer de att tvingas dra slutsatsen att standardmodellens massproblem har en mer komplex lösning. Men för många av dem – inklusive Nahn – är det tillräckligt spännande bara för att äntligen kunna testa Higgsteorin experimentellt. Den nya kollideraren, som stängdes av för reparation kort efter att den öppnade i höstas, är planerad att gå online igen under våren 2009; tills dess arbetar Nahn och hans elever på programvara som kommer att övervaka driften av en av LHC:s detektorer och så småningom analysera den data som den genererar (se The Making of a New Collider, maj/juni 2008).
Är de fyra krafterna förenade?
Teoretiker som Wilczek försöker också göra själva standardmodellen mer matematiskt vacker och experimentellt genomförbar. Var och en av de fyra krafterna har sin egen uppsättning styrande ekvationer. Men ekvationerna är skeva, säger Wilczek. Han och andra tror dock att krafterna är som fyra sidor av en matematisk tärning. De är diskreta, men var och en är också en del av en helhet. Wilczek påpekar att även om krafterna i allmänhet har olika styrka, för partiklar mycket nära varandra, har de samma styrka. Detta tyder på att den matematiska impulsen att föra samman krafterna till en helhet som styrs av en storslagen föreningsteori är på rätt väg. Elektromagnetism och den svaga kraften passar ihop tillräckligt matematiskt så att de redan ofta kallas en kraft, den elektrosvaga. Ekvationerna för den starka kraften liknar de för elektromagnetism och den svaga kraften. Den som är svår att passa in, säger Wilczek, är gravitationen.
Det kan tyckas konstigt att fysiker sätter så stor tilltro till matematikens förutsägelser. Men, säger Wilczek, jag litar inte på mina egna åsikter om inte naturen ger oss lite uppmuntran. Det är nog ingen tillfällighet att ekvationerna är så lika, konstaterar han. Krafterna behövde inte gå samman, säger han. Ekvationerna behövde inte se ut som olika ansikten på samma tärning.
Wilczek har ännu inte haft tillfredsställelsen av att se enande befästas experimentellt: fysiker har helt enkelt inte haft medel. Det finns dock ett sätt att testa teorin. Att lägga till ytterligare en sats av partiklar till standardmodellen gör att matematiken för enande fungerar. Var och en av dessa teoretiska supersymmetriska partiklar skulle interagera med andra partiklar på samma sätt som en av de kända partiklarna gör men skulle vara mycket mer massiv. Wilczek hoppas att LHC:s högenergikollisioner kommer att producera minst en supersymmetrisk partikel. Teoretiker som han har arbetat med frågor i decennier utan att kunna testa dem; nu, säger han, kommer experimentalisterna ikapp.
Vad är mörk materia?
Gabriella Sciolla, docent i fysik vid MIT, hoppas kunna validera supersymmetri genom experiment på mörk materia. Fysiker vet, genom att observera gravitationssamverkan mellan galaxer och andra himmelska objekt, att det finns mycket mer massa i universum än de kan redogöra för genom att leta efter de slag som identifieras av standardmodellen. Denna saknade massa kallas mörk materia eftersom den inte interagerar med fotoner. Det kan inte ses med optiska eller röntgenteleskop. Visst är jag lite partisk, men för mig är den mest intressanta öppna frågan inom fysiken, vad är mörk materia? säger Sciolla. En enkel förklaring är att den består av en eller flera av de supersymmetriska partiklarna.
I tarmarna av Building NW13, i ett fönsterlöst askeblocksrum som hennes forskargrupp kallar fängelsehålan, testar Sciolla en ny apparat kallad Dark Matter Time Projection Chamber – i huvudsak en stor gastank i rostfritt stål flankerad av två digitalkameror . Principen bakom detektorn är enkel. När en partikel av mörk materia träffar en gasatom kommer atomen att rekylera och slå loss elektroner som kommer att upptäckas av kamerorna. Genom att spåra dessa elektroners vägar kommer Sciolla att kunna se inte bara att en partikel träffade, utan från vilket håll. Det kommer att vara viktigt för att fastställa att detektorn faktiskt ser mörk materia, inte något annat. Om, som många fysiker tror, vår galax roterar genom ett stationärt område av mörk materia, borde den mörka materien träffa atomerna i Sciollas detektor som regn som träffar vindrutan på en bil i rörelse. Riktningen för detta regn bör variera med cirka 90º var 12:e timme, eftersom jordens rotationsaxel är cirka 45º med avseende på mörk materia.
Sciolla och hennes forskargrupp kommer att placera sin detektor i ett underjordiskt labb för att isolera den från kosmisk strålning, en stor källa till brus, och de kommer att spendera 2009 med att samla in preliminära data för att bevisa att konceptet fungerar. Om ett år hoppas Sciolla ha en detektor på en kubikmeter som ska vara 50 gånger så känslig; om fem år hoppas hon ha en detektor så stor som några hundra kubikmeter.
Att hitta partiklar av mörk materia skulle vara fysikers motsvarighet till att vinna jackpotten. Alla dessa stora frågor inom fysiken hänger ihop på något sätt, säger Sciolla. Mörk materia är det enda svaret som skulle tillfredsställa så många olika obesvarade frågor inom olika fysikområden. Att upptäcka det skulle ge starka bevis för supersymmetri.
Om mörk materia visar sig inte bestå av supersymmetriska partiklar utan av axioner, hypotetiska partiklar som Wilczek gjorde ett viktigt arbete för att beskriva, kan det fyndet komma fram till en annan stor fråga. Axioner har en framträdande plats i en esoterisk teori som förklarar varför materia – i motsats till antimateria – råder i universum, även om Big Bang producerade alla partiklar och deras antipartiklar i lika många.
Vad är mörk energi?
Även om mörk materia upptäcks och dess natur avslöjas, väcker ett annat märkligt fenomen som fysiker har kallat mörk energi många andra frågor. Galaxer trycks isär av någon frånstötande kraft, förklarar Edmund Bertschinger, chef för fysikavdelningen. Det senaste decenniets mätningar säger oss att något som liknar gravitationsrepulsion har tagit över universum. Det vill säga, universum expanderar i en accelererande hastighet, men fysiker vet inte varför. Är det på grund av mörk energi? Eller är mörk energi bara ett koncept som lappar över ett missförstånd av fysikens lagar?
Trots likheten i deras namn är mörk energi förmodligen helt orelaterade till mörk materia - och är ett mycket större mysterium. Det finns rimliga förklaringar till mörk materia, säger Bertschinger. Vi har inga rimliga modeller av mörk energi som är vettiga i högenergifysikens sammanhang. Arbete utfört av Bertschinger och många andra har visat att tester för att skilja mellan mörk energi och en modifierad form av gravitation kommer att vara mycket svåra att utveckla. Bertschinger håller dock på med teoretiskt arbete som han hoppas ska leda till sådana tester under det kommande decenniet.
Det här är en stor tid inom fysiken, säger Sciolla. Allt kommer att få svar de närmaste åren hoppas vi. Och sen då? Jo, då kanske hon och hennes kollegor saknar jobb, skämtar Sciolla. Men, tillägger hon, jag är säker på att det kommer att finnas många nya frågor som kommer att vara obesvarade.