Elementærpartikkelfysikk av Kunnskapsforlaget. Gjengitt med tillatelse

Produksjon og desintegrasjon av Higgs-boson, illustrert ved Feynmandiagram.

Produksjon og desintegrasjon av Higgs-boson av Jan Olav Eeg. CC BY SA 3.0

Elementærpartikkelfysikk, også kalt høgenergifysikk eller partikkelfysikk, er studiet av elementærpartikler, vekselvirkningene deres og prosessene der de er involvert. Elementærpartikkelfysikken er ei videreføring av atomfysikk og kjernefysikk, i det en studerer partiklene som atomet og atomkjernen er bygd opp av, samt en del mer eksotiske og ustabile partikler.

For å studere partiklenes oppførsel må en ha tilgang på partikkelstråler. Noe kan en få fra naturlig kosmisk stråling, men det vanlige er å bruke elektroner eller protoner som kan akselereres i en akselerator. Partiklene akselereres i et elektrisk felt. For å unngå at akseleratoren skal bli for lang, kan en la partikkelstrålen gå i ring, slik at partiklene passerer de samme akselerasjonsfelta flere ganger. Til å avbøye strålen langs ringen brukes sterke magneter. På denne måten har en, ved hjelp av stadig bedre teknologi, klart å skaffe seg stråler av elektroner og protoner, samt antipartiklene deres, og fått dem til å kollidere med hverandre med stadig større energier.

I moderne akseleratorer (på engelsk ofte kalt collider) lar en to stråler gå langs ringen i motsatte omløpsretninger, slik at partikler kolliderer ved bestemte punkter langs ringen. Sluttprodukta fra slike kollisjoner studeres ved ulike typer detektorer, der en prøver å identifisere de involverte partikkeltypene, ved å bestemme energien og farten deres etter kollisjonen. Tidligere brukte en, i kosmisk stråling, ofte et såkalt boblekammer der elementærpartikler med elektrisk ladning lager ionisasjonsspor som kan fanges opp på film. Nå brukes mer elektronikk, der partiklene etter å ha kollidert treffer følsomme celler som via kabler sender signaler til datamaskiner som bearbeider disse og rekonstruerer kollisjonen. Ut av kollisjonen kan det komme velkjente partikler, men også mer eksotiske ustabile partikler som i løpet av svært kort tid forsvinner (går sund) og omdannes til andre lettere partikler. Slik omdanning av ustabile partikler kalles desintegrasjon, henfall, eller sundfall (på engelsk decay)

I atomfysikk beskrives den elektromagnetiske vekselvirkninga mellom et elektron og kjernen ved hjelp av et coulombpotensial (se coulombkraft). Denne beskrivelsen som er basert på ikke-relativistisk kvanteteori er i godt samsvar med observasjoner for et atom der partiklene har liten fart. Men i elementærpartikkelfysikk der partiklene har stor energi og fart, må beskrivelsen være i samsvar med relativitetsteorien. Det er også en svært viktig egenskap ved relativistisk teori at antall partikler ikke er bevart. Partikler kan oppstå og forsvinne, men den totale energien er bevart, i samsvar med Einsteins berømte formel E = m·c2.

I partikkelfysikk beskrives vekselvirkningene, det vil si kreftene mellom partiklene, ved hjelp av kvantefeltteori. Til hver partikkeltype svarer det et (kvante-)felt, og partiklene kan oppfattes som eksitasjoner av dette feltet. Vekselvirkninga mellom to fermioner beskrives da som utveksling av en spesiell type bosoner, kalt vekselvirkningspartikler, kraftformidlere eller justérbosoner, (eng. gauge-bosons. Se justérteori). Det finnes generelt et sett av slike bosoner for hver type vekselvirkning. I elektromagnetisk vekselvirkning finns ett slikt boson, fotonet, det vil si det elementære lyskvantet. For eksempel vil et coulombpotensial mellom to elektroner tilsvare utveksling av ett foton. (Se figur 1). Denne typen kvantefeltteori kalles kvante-elektrodynamikk, ofte forkorta til QED. I svak vekselvirkning utveksles tunge bosoner (kalt W± og Z) og i sterk vekselvirkning, kalt kvantekromodynamikk (QCD) utveksles gluoner (av engelsk  glue= lim).

Elektrosvak vekselvirkning er en felles (forent) beskrivelse av elektromagnetisk og svak vekselvirkning. Den mest kjente prosessen i svak vekselvirkning er beta-desintegrasjon (også kalt beta-henfall   eller beta-sundfall; på engelsk beta-decay). Her er det et nøytron, som kan sitte inni en kjerne, som omdannes til proton, et elektron og et (anti-) nøytrino. Se figur 3. Historisk ble prosessen kalt radioaktiv beta-stråling, en brukte også  uttrykket svak kjernekraft , og elektronene ble kalt beta-partikler.

I svak vekselvirkning, som beta-desintegrasjon, formidles vekselvirkninga av de ladde W±-bosonene. I motsetning til fotonet, som ikke har (hvile-)masse, er W± svært tunge (ca. 80 GeV/c2), ca. 85 ganger tyngre enn protonet. Dette har sammenheng med at svak vekselvirkning, ved energier på noen få GeV eller mindre, har svært kort rekkevidde, omkring 10–18 m. Generelt er rekkevidda omvendt proporsjonalt med massen til vekselvirkningspartikkelen. I forent elektromagnetisk og svak vekselvirkning, kalt elektrosvak vekselvirkning (se elektrosvak teori), utveksles fotonet, W±-bosonene, og det nøytrale bosonet Z. Dette siste har en masse 92 GeV/c2, dvs. det er nesten hundre ganger tyngre enn protonet.

Eksistensen av W±-bosonene ble postulert alt i 1930-åra av svensken Oskar Klein, og de ble bygd inn i elektrosvak teori sammen med Z-bosonet og fotonet (γ) i 1960-åra, først og fremst av S. Glashow, S. Weinberg og A. Salam, som fikk Nobelprisen for dette arbeidet i 1979. Det kan kanskje virke overraskende at så tunge partikler kan utveksles i prosesser som for eksempel beta-desintegrasjon, der den tilgjengelige energien bare er en liten brøkdel av W±-bosonenes hvile-energi mWc2 . ( Her er mW-bosonets masse og c er lysfarten). Dette er likevel mulig pga. uskarphetsrelasjonen i energi og tid,  ΔE×Δt∼ ℏ, der ℏ er Plancks konstant, h dividert med \( 2 \pi \) . Dersom uskarpheten ΔE i energi identifiseres med W±-bosonenes hvile-energi, kan likevel slike (virtuelle) tunge bosoner eksistere en svært kort tid Δt∼ Δℏ/(mWc2) , men likevel lenge nok til at den svake vekselvirkninga kan foregå. Sjøl om alle observasjoner var i samsvar med teorien, ble ikke W± og Z observert direkte før i 1983–84, i et eksperiment på CERN i Genève, der den tilgjengelige energien var stor nok til dette. Først ved energier omkring mW c2 og større vil elektrosvak teori framstå som en forent teori for elektromagnetisk og svak vekselvirkning der utveksling av fotoner og W-, Z-bosoner har omtrent samme styrke. Denne styrken er da omtrent  lik finstrukturkonstanten \( \alpha \simeq 1/137 \) (se finstruktur). Elektrosvak teori er en matematisk konsistent teori, formulert som en justerteori.

I utgangspunktet har alle justerbosoner (kraftformidlingspartikler, som fotonet, W±,Z) null masse, men når det såkalte Higgs-feltet tas med  i teorien vil likevel W± og framstå som de tunge, fysiske partiklene W± og Z. En kan si at det såkalte Higgsfeltet inneholder fire komponenter: For det første den fysiske Higgspartikkelen. For det andre massene  til de tre tunge kraftformidlingspartiklene W± og Z. Higgsfeltet er også ansvarlig for massene til alle fermionene,- med et mulig unntak for nøytrinoene. (se Higgs-boson). Massene til nukleonene, som er bundne tilstander av kvarker (og gluoner, og gluonfelt), skyldes  egenskapene til sterk vekselvirkning og har sammenheng med farge-innestengninga for kvarker og gluoner. Bare 1 til 2 % av nukleonmassen skyldes de lette u- og d-kvarkenes masse som de har fått via Higgsfeltet.

I sterk vekselvirkning utveksler kvarkene justérbosoner som kalles gluoner (av eng. glue, 'lim'). Navnet kommer av at gluonfeltet binder kvarkene sammen til hadroner (se elementærpartikkel). Kvarkene og gluonene har en egenskap, et kvantetall , som kalles "farge"  (-og som ikke har noe med vanlig optisk farge å gjøre). Gluonene overfører fargeladning fra en kvark til en annen. Denne typen kvantefeltteori heter kvantekromodynamikk (eng. quantum chromodynamics, forkorta til QCD).

I likhet med fotonet har gluonene ingen hvilemasse. Grunnen til at sterk vekselvirkning likevel har kort rekkevidde, skyldes en annen egenskap ved sterk vekselvirkning, nemlig innestengning av farge (eng. confinement). Isolerte fargeladninger, f.eks. i form av en isolert kvark eller et isolert gluon, kan ikke eksistere. Kvarker og gluoner må alltid slå seg sammen til hadroner (baryoner eller mesoner). Derfor kommer kvarkene eller gluonene ikke ut av hadronet (f.eks nukleonet). Denne egenskapen har sammenheng med at gluonene, som er elektrisk nøytrale, har fargeladning , og derfor kan de vekselvirke med andre gluoner. (En kan også si at gluonfeltet vekselvirker med seg sjøl). Dette er kvalitativt forskjellig fra QED, der fotonene ikke har elektrisk ladning, men likevek formidler elektriske krefter. I QCD bryter den perturbative (iterative) beskrivelsen sammen  dersom energien i prosessen blir mindre en ca. 1 GeV (se neste avsnitt).

Dersom energien i en sterk prosess ikke overstiger f.eks omkring 100 MeV, kan det i noen tilfelle, som f.eks. i kjernefysikk, være en rimelig god tilnærming å beskrive sterk vekselvirkning (kjernekraft) mellom nukleoner som utveksling av pioner (π- mesoner), men dette bildet kan ikke brukes for store energier. Utveksling av et pion mellom to nukleoner tilsvarer at nukleonene bytter en kvark med hverandre under kollisjonsprosessen.  Under kollisjon mellom hadroner, for eksempel en kollisjone mellom to nukleoner kan disse overlappe hverandre. Inni dette overlappende området vil kvarker kollidere, og stråle gluoner som kanskje igjen danner  kvark-antikvarkpar. Ut av kollisjonen kan det så komme hadroner, for eksempel to nukleoner og noen \(\pi\) -mesoner.

Bildet som er beskrevet over, der fermioner vekselvirker ved å utveksle bosoner, er gyldig for elektrosvak vekselvirkning. Det er  også gyldig  i kvantekromodynamikk ved energier over f.eks. 1 -2 GeV. En slik beskrivelse er ikke gyldig i sterk vekselvirkning ved energier under ca. 1GeV, . Når beskrivelsen er gyldig, kan prosessene illustreres ved hjelp av enkle diagram, såkalte Feynman-diagram oppkalt etter R. P. Feynman som først tok i bruk slike diagram. I en slik beskrivelse er utveksling av ett boson mest sannsynlig, utveksling av to er litt mindre sannsynlig, utveksling av tre bosoner enda litt mindre sannsynlig , o.s.v. Matematisk sett får vi ei perturbasjonsrekke, eller iterasjonsrekke. Se kvantefeltteori. Et Feynmandiagram er et grafisk bilde av de matematiske uttrykka for en gitt prosess. Hva som egentlig skjer inni de ørsmå områda der vekselvirkninga foregår veit vi  ikke. Det vi veit er hva slags partikler som går inn og hva slags partikler som kommer ut av prosessen. Og vi veit at Feynman diagram gir en matematisk beskrivelse som stemmer med det vi kan måle.

Typiske prosesser i elementærpartikkelfysikk blir ofte illustrert ved hjelp av Feynman-diagram, som leses fra venstre mot høgre (Se Fig. 1–7).

I Fig.1 er en kollisjon mellom to elektroner illustrert ved det enklest mulige Feynman-diagrammet. De to rette linjene som går mot hverandre illustrerer de to elektronene før kollisjonen. Kollisjonen representeres (i enkleste tilfelle) ved utveksling av ett foton. Dette er illustrert ved den bølga linja. Etter dette går elektronene fra hverandre.

Fig. 2 illustrerer et elektron som kolliderer med et proton. Dette skjer ved at elektronet vekselvirker med en kvark i protonet ved utveksling av et foton. Ved små energier opp til 100 MeV f.eks., vil denne kvarken etter kollisjonen holde seg sammen med de to andre kvarkene i protonet pga. den sterke vekselvirkninga (farge-innestengninga) mellom kvarkene. Men ved større energier, kan protonet brytes opp, og det kan dannes et nukleon og noen pi-mesoner f.eks. Slike prosesser ble studert ved Stanford Linear Accelerator Center, SLAC i California, USA, rundt 1970, og det en så ble forklart slik: Når det innkommende elektronet har stor energi, vil en del av denne, via det virtuelle fotonet, overføres til den spredte kvarken som dermed får stor energi og forskjellig retning fra de to andre kvarkene. Kvarkene vil etter hvert stråle gluoner som igjen danner kvark-antikvark-par.  Som nevnt tidligere kan ikke kvarker eller gluoner eksistere som frie partikler, og de ulike kvarkene, antikvarkene og gluonene vil slå seg sammen til ulike hadroner.

Fig. 3 illustrerer beta-desintegrasjon. En av d-kvarkene i nøytronet  sender ut et negativt ladd (virtuelt) W-boson og omdannes dermed til en u-kvark. Det virtuelle W-bosonet omdannes så til et elektron og et anti-elektronøytrino.(En antipartikkel illustreres med pil bakover)

Fig. 4 viser desintegrasjonsprosessen π+→ μ+νμ, ved at u- og d- kvarken i pionet annihilerer til et virtuelt W+ som igjen omdannes til et leptonpar ( μ+og νμ).

Fig. 5 viser mekanismen for produksjon av et fysisk W-boson fra en kollisjon mellom et proton og et antiproton, slik det foregikk på CERN i 1983. Det som skjer i en slik prosess er at en kvark fra protonet annihilerer med en antikvark fra antiprotonet og danner et fysisk W-boson. Dette kunne påvises ved at det ut fra kollisjonen kunne komme et elektron og et nøytrino, begge med en energi som er omkring halvparten av W-bosonets hvile-energi. Det en så var konsistent med at et W-boson hadde desintegrert og blitt omdanna til et elektron og et nøytrino. De to gjenværende kvarkene fra protonet og de to gjenværende antikvarkene fra antiprotonet kan feks. stråle gluoner som i noen tilfelle kan omdannes til et kvark-antikvark par. Til slutt vil alle kvarker, gluoner og antikvarker slå seg sammen til hadroner.

I fig. 6 ser en et e+e- par som annihilerer til et (virtuelt) foton eller Z-boson. Det virtuelle bosonet kan så omdannes til et eller annet fermion-antifermion par så sant det er tilstrekkelig energi. Dette er en type prosess en tidligere studerte ved DESY i Hamburg og på LEP-maskinen ved CERN i Genève. På LEP var energien  stor nok til at det kunne  produseres et fysisk Z-boson. Seinere kunne energien også økes slik at en kunne  produseres et fysisk W+ W- par.

Et svært viktig resultat fra LEP-maskinen er at det finnes bare tre lette nøytrinotyper. Men fortsatt kan det tenkes at det finnes nøytrale eksotiske partikler med masse større enn halvparten av Z-boson massen.

Dersom det i e+e--kollisjoner produseres et par med en kvark og en antikvark, vil disse stråle gluoner som igjen kan bli til nye kvark-antikvark-par slik at det dannes en skur av hadroner. Men det viser seg at det er en tendens til at det kommer ut energirike partikler i to «bunter» i retninga til de opprinnelige kvarkene. En slik energirik bunt med partikler (hadroner) kalles en jet. Ved DESY fant en  i 1979 en såkalt 3-jet prosess (fig. 7). Her stråler enten kvarken eller antikvarken et hardt gluon, og kvarken, antikvarken og gluonet lager en jet hver. Dette ble tatt som et indirekte bevis for eksistensen av gluonet.

Produksjonen av en Higgs partikkel ved LHC kan foregå slik: To protoner med med energi på opptil 7 TeV kolliderer. Ved så store energier inneholder protonet både kvarker og gluoner.  Ett gluon fra hvert proton kan kollidere  og danne et top -antitop kvarkpar, som igjen fusjonerer til en Higgs-partikkel.  Denne Higgspartikkelen desintegrerer så til et top -antitop par som så annihilerer til to fotoner. Det var ved  å finne to svært energirike fotoner at Higgspartikkelen ble oppdaga.

I partikkelfysikken spiller bevaringslover en stor rolle. Størrelser som total elektrisk ladning, total energi og driv er bevart i alle fysiske prosesser. (For det engelske momentum  kan en bruke på norsk: driv, bevegelsesmengde eller rørslemengd). I en prosess kan partikler forsvinne og nye oppstå, men energien er den samme før som etter prosessen når en tar i betraktning partiklenes hvilemasse m, som ifølge Einsteins formel representerer en energi E = m·c2. Bevart er også totalt spinn , det vil si summen av alle egenspinn, og alle banespinn (som ofte kalles impulsmomet).

Også kvantetall som baryontall og (totalt) leptontall (se lepton) er bevart, så langt en har målt (se også elementærpartikkel). I prosesser målt i ett og samme laboratorium ser det ut til også at de tre leptontalla er bevart hver for seg. Men hvis nøytrinoene har masse (-som er veldig liten!) er ikke de tre leptontalla bevart hver for seg. Og i hypotetiske modeller som er lansert, vil det forekomme små avvik fra bevaring av disse . For eksempel vil en prosess som μ→ eγ være forenlig med bevaring av total energi, driv, spinn, og elektrisk ladning, men den bevarer ikke leptontalla  Le og Lμ. Denne prosessen er aldri observert. Dersom den skulle eksistere, vil den  ha  en relativ sannsynlighet på mindre enn 5.7 x 10–13 i forhold til den dominerende desintegrasjonsmåten μ → eνeνμ.

I et eksperiment ved Super-Kamiokande i Japan i 1998 ble fant en  nøytrino-oscillasjoner, d.v.s at en nøytrinotype kunne omdannes til en annen. Andre eksperiment der nøytrinoer beveger seg over lange avstander (f.eks. et par hundre kilometer, eller tvers gjennom jordkloden, eller fra Sola til Jorda) støtter denne konklusjonen. Dermed er altså de tre leptontalla ikke bevart hver for seg. Men alt tyder foreløpig på at summen av leptontalla er bevart. Dessuten må minst en av massene til de tre nøytrinotypene være forskjellig fra null. Her trengs flere eksperiment for å få detaljene på plass.

I partikkelfysikk er følgende tre (matematiske) operasjoner svært viktige for de dynamiske likningene:

1. Ladningskonjugasjon, C, dvs. fortegnsskifte av alle typer ladninger , eller : alle partiklene byttes ut med de tilsvarende antipartiklene (for fargeladning rød→antirød, osv.).

2. Paritetstransformasjon, P (speiling), der posisjon og fart snus om, dvs. bytter fortegn, mens alle spinn (-egenspinn og banespinn) ikke endres.

3. Tidsreversjon,T, dvs. tida snus, - skifter fortegn.

Både sterk og elektromagnetisk vekselvirkning er symmetriske ved disse tre operasjonene. Dette gjelder ikke i svak vekselvirkning. K-mesoner (kaoner) og pi-mesoner (pioner) er psevdo-skalare partikler som har  en negativ (indre) paritet. (Skalare partikler har spinn lik null). Før 1956 var det et mysterium at  et K-meson kunne desintegrere både til 2 og 3 pioner dersom paritet var  bevart.  For å kunne forklare at dette var mulig foreslo T. D. Lee og C. N. Yang i 1956 at speilingssymmetri ikke var bevart. Da viste de at regnestykket kunne gå opp. For dette fikk de Nobelprisen i 1957. I 1957 ble det så påvist at P-symmetri også var brutt i beta-desintegrasjon. En mente etter dette at C-symmetri også var brutt på en slik måte at kombinasjonen av speilingsymmetri (paritet P)og ladningssymmetri (C) var brutt på en slik måte at kombinasjonen CP fortsatt var en gyldig symmetri i svak vekselvirkning. Dette ses eksperimentelt ved at prosessen \(\pi^- \, \rightarrow \, \mu^- \, \overline{\nu_\mu} \) har en like stor sannsynlighet som  \(\pi^+  \, \rightarrow \, \mu^+ \, \nu_\mu \). I 1964 fant man så et mindre brudd også på CP-symmetri når nøytrale K-mesoner desintegrerer til to π-mesoner (se CP-symmetri og antimaterie). J. W. Cronin og V. L. Fitch fikk Nobelprisen for denne oppdagelsen i 1980. I 1999 påviste en eksperimentelt (på Fermilab. og ved CERN) at bruddet på CP-symmetri er litt forskjellig når et nøytralt K-meson henfaller til to elektrisk nøytrale π-mesoner, sammenlignet med to ladde π-mesoner (ett med ladning pluss og ett med ladning minus). Seinere (2001) har en også sett brudd på CP-symmetrien ved desintegrasjon av B-mesoner.

Hittil tyder alt på at kombinasjonen CPT er en gyldig symmetri. Denne symmetrien er bygd inn i all kvantefeltteori, som all partikkelfysikk er bygd på. CPT-symmetri innebærer blant annet at en partikkel har samme masse som sin antipartikkel. Det foregår fortsatt tester av CP-, T-, og CPT-symmetri. Studiet av brudd på disse symmetriene er viktige, fordi det ifølge moderne kosmologi må ha skjedd et  brudd på CP-symmetri i det tidlige univers ( like etter "big bang"), som var en slags gass av leptoner og kvarker, fotoner og andre justérbosoner med ekstremt høg temperatur (se big bang, kosmologi, antimaterie). Den russiske fysikeren Andrei Sakharov formulerte i 1967 fire vilkår for at universet skulle ha utvikla en ubalanse mellom materie og antimaterie like etter "big bang": Det måtte ha vært brudd på baryontall (B), på C-symmetri og CP-symmetri. I tillegg måtte brudd på disse symmetriene skjedd samtidig som en termisk ustabilitet.

Det vi nå veit om de 12 fundamentale fermionene og vekselvirkningene deres , dvs. elektrosvak teori, formidla av fotonet (γ), W± og Z-bosonene, og kvantekromodynamikk, formidla av gluonene, er samla i den såkalte Standardmodellen for elementærpartikkelfysikk. Alle observasjoner stemmer overens med denne, så langt en har målt hittil. I 2012 ble den siste byggesteinen, Higgspartikkelen funnet ved LHC-eksperimentet ved CERN. Higgsfeltet er ansvarlig for massene til W± og Z-bosonene og til  alle fermionene,- med et mulig unntak for nøytrinoene. De ørsmå nøytrinomassene kan kanskje ha et mer eksotisk opphav. Standardmodellen er en matematisk konsistent teori, formulert som justerteori og burde hatt navnet Standardteorien, men har beholdt det gamle navnet fra den tida teorien var mindre etablert.

Sjøl om Standardmodellen hittil ser ut til å være i samsvar med alle fenomen innafor elementærpartikkelfysikken, er det en del spørsmål den ikke gir svar på. F.eks: Opphavet til ubalansen mellom materie og antimaterie i universet. De CP-brytende effektene en ser i desintegrasjon av K- og B-mesoner i laboratoriet kan (kanskje) forklares innafor Standardmodellen, men de kan ikke forklare  det CP-bruddet som må ha foregått like etter big bang.  Og Standardmodellen inneholder heller ingen baryontall-brytende effekter. Opphavet til de ørsmå nøytrinomassene er også uklar. Mange fysikere venter at det ved energier som er høgere enn de som er tilgjengelige i dag, eller  kanskje allerede på LHC-maskinen ved CERN vil oppstå nye fenomen og oppdages nye partikler. Det kan tenkes at de ørsmå nøytrinomassene indirekte kan ha sammenheng med fysikk utover Standardmodellen

Med "Ny Fysikk" mener vi her fenomen som ikke kan forklares innafor Standardmodellen.  En tenker seg at "Ny Fysikk" ikke er et alternativ til Standardmodellen, men et supplement som sammen med Standardmodellen gir oss et enda mer fullstendig bilde av elementærpartikkelfysikken.

Det er to måter slik ny fysikk kan påvises eksperimentelt. Det ene er å påvise eksistensen av en ny tung partikkel direkte ved å ha tilstrekkelig energi på partikkelstrålene i en akselerator. Det andre er å se etter svært sjeldne prosesser som er forbudt innafor Standardmodellen. F.eks.: Nye (tunge) partikler og justérbosoner kan nemlig manifestere seg indirekte gjennom kvantefluktuasjoner på en slik måte at prosesser som er forbudt i eller  svært sjeldne i Standardmodellen kan forekomme med en sannsynlighet som er forskjellig fra den teoretiske som kan beregnes ut i fra Standardmodellen. Prosessen μ→γe har alt vært nevnt som en slik hypotetisk mulighet.

En annen hypotetisk prosess som har vært studert, er p→π0e+, som ville innebære at protonet er ustabilt, dvs. baryontall er brutt. En har prøvd å se etter en slik prosess ved å plassere store mengder vann (f.eks. omkring tusen tonn) i nedlagte gruver langt under jordoverflata skjerma for kosmisk stråling. Hittil finnes ingen tegn på at protonet er ustabilt, men en har funnet ut at det har ei levetid på mer enn 1031 år. (Dersom protonet har ei levetid på 1031 år, vil ett av 1031 protoner desintegrere i løpet av ett år.) En slik prosess vil være mulig innafor en eventuell forent teori for elektrosvak og sterk vekselvirkning. Ifølge slike teorier må det finns ekstremt tunge bosoner (med masse av størrelsesorden 1016 GeV/c2) som formidler vekselvirkninger som bryter baryontall (B). Ved en slik enorm masseskala skal ifølge denne teorien elektrosvak og sterk vekselvirkning ha samme styrke, mens den sterke vekselvirkninga er ca. 15 ganger sterkere enn elektromagnetisk vekselvirkning ved energien mZc2, og mer enn hundre ganger sterkere enn den elektromagnetiske for energier under 1 GeV.

En annen hypotetisk utviding av Standardmodellen er supersymmetri. Dette er en boson-fermion symmetri: Til ethvert fermion skal det finnes et tilsvarende boson med samme sett kvantetall, og omvendt, men de eventuelle supersymmetriske partiklene vil være tyngre enn sine kjente partnere. Dette betyr (minst) en fordobling av det kjente partikkelspekteret. Mange mener at  supersymmetri er nødvendig for å inkludere gravitasjon i en forent teori for alle typer vekselvirkninger. Men hittil (desember 2016) er det -trass iherdige leiting i eksperimentelle data- ingen klare tegn på at supersymmetriske partikler finns i naturen.

Å påvise eventuelle utvidelser av Standardmodellen er ikke bare viktig for forståelsen av elementærpartikkelfysikken. En utvidelse som også omfatter gravitasjon, vil kunne bidra til ny forståelse av det tidlige univers, en ekstremt liten brøkdel av et sekund etter big bang. Standardmodellen forutsier CP-brytende effekter, men effektene er ofte små. Men utvidelser av Standardmodellen inneholder ofte flere  CP-brytende effekter enn Standardmodellen. Derfor er studiet av CP-brudd potensielt en innfallsport til "Ny Fysikk" dersom en finner effekter som er større enn dem som Standardmodellen forutsier.

Foreslå endringer i tekst

Foreslå bilder til artikkelen

Kommentarer

Har du spørsmål om artikkelen? Skriv her, så får du svar fra fagansvarlig eller redaktør.

Du må være logget inn for å kommentere.