Forskning: Nytt partikelvärldsrekord nyckel till universums mysterier?

2019-02-27

Uppsalaforskare har i ett internationellt forskningssamarbete för första gången lyckats samla in 10 miljarder så kallade J/ψ-partiklar. Dessa kan ge ledtrådar om hur den starka växelverkan fungerar, den som ger upphov till merparten av universums synliga massa och är en förutsättning för de komplexa partikelsystem som krävs för att liv ska uppstå.

Forskningen bedrivs av över 400 forskare i 14 länder inom det kinesiska partikelfysikexperimentet BESIII, där strålar av elektroner och positroner med mycket hög energi kolliderar med varandra. Vid en specifik kollisionsenergi är sannolikheten att resonanspartikeln J/ψ ska bildas mycket stor. Den 11:e februari 2019 uppnåddes den magiska gränsen där 10 miljarder J/ψ-partiklar bildats och detekterats. J/ψ-partikeln är en hadron som består av en charmkvark och en anticharmkvark. Partikeln har en mycket kort livslängd och sönderfaller till mer stabila partiklar som mäts i BESIII-detektorn. Datamängden detta motsvarar är den största som någonsin har samlats in i ett elektron-positronstråleexperiment.

– Den här datamängden öppnar upp för nya möjligheter att på djupet studera vårt universums egenskaper på de allra minsta längdskalorna. Kanske kommer den till och med visa på avvikelser som inte kan förenas med vår bästa teoretiska beskrivning, Standardmodellen. En sådan upptäckt skulle verkligen revolutionera kärn- och partikelfysiken, säger Patrik Adlarson, forskare vid institutionen för fysik och astronomi vid Uppsala universitet.

Utifrån den rekordstora insamlingen av J/ψ-partikeln kan man studera en mängd olika fenomen inom fysiken som rör de allra minsta längdskalorna (10-15m) i universum. Kanske kan man till och med upptäcka avvikelser som kan ha en förklaring bortom de teorier man idag känner till.

De tiotal uppsalaforskare som deltar inom BESIII-experimentet studerar hadroners inre struktur och hur den starka växelverkan fungerar. De letar också efter ledtrådar till varför universum består av så mycket mer materia än antimateria, som är en av de fundamentala förutsättningarna för livsbetingelser i universum.

– Kanske kommer man med den datamängd som BESIII-experimentet nu samlat in lyckas gräva fram några av de skatter inom fysiken som fortfarande ingen har hittat, säger Patrik Adlarson.

Fakta partikelexperimentet BESIII
Inom projektet ingår 400 forskare från 14 olika länder, bland annat Kina, USA, Ryssland, Tyskland, England och Sverige. Uppsala universitet har varit med sedan 2012 och har fokus på hadronstruktur, kvarkmassor och universums materia-antimateria-asymmetri.

Fakta den starka växelverkan
Den starka växelverkan kallas även för den starka kraften och är en av de fyra grundläggande krafterna i universum, tillsammans med gravitationen, den svaga kraften och den elektromagnetiska kraften. Den starka kraften håller samman protoner och neutroner i atomkärnan och binder även samman kvarkar i protoner, neutroner och andra sammansatta partikelsystem, så kallade hadroner. Den starka kraften genererar 99% av protonens massa.

Fakta Hadroner
Hadroner är subatomära partiklar, uppbyggda av kvarkar (elementarpartiklar) och den starka kraften. De mest kända exemplen på hadroner är protonen och neutronen som båda består av tre kvarkar. Hadroner kan också bestå av en kvark och en antikvark, som i fallet med J/ψ-partikeln som består av en charmkvark och en anticharmkvark. J/ψ-partikeln mättes första gången 1974 och för denna upptäckt erhöll fysikerna Samuel Ting och Burton Richter Nobelpriset i fysik år 1976. Partikelns namn uttalas på engelska som J psi.

Fakta Standardmodellen
Den teori som beskriver fysiken på de allra minsta längdskalorna kallas för Standardmodellen i elementarpartikelfysik och den är väl beprövad. Samtidigt förväntar sig de flesta fysiker att Standardmodellen inte är den slutgiltiga beskrivningen och med hjälp av precisionsexperiment kan man leta efter sprickor i modellen. Detta görs genom att jämföra experimentella resultat med teoretiska beräkningar utifrån Standardmodellen.

För att upptäcka fysiken bortom standardmodellen krävs mycket stora mängder data för att få en hög precision. Några av de starkaste indikationerna på att fenomen bortom Standardmodellen existerar kommer idag från jämförelser mellan experimentella mätningar och teoretiska beräkningar som båda gjorts med mycket hög precision.

Läs mer

Pressmeddelande från BESIII om rekordinsamlingen

Camilla Thulin