Centerleder står bag ny tilgang til partikelfysikkens grundlag

Professor i teoretisk fysik og leder af DG-centeret CP3-origins, Francesco Sannino, har sammen med kollegaer været med til at udvikle en ny teoretisk tilgang til grundlæggende partikelfysik. Teorien åbner blandt andet for helt nye muligheder og synsvinkler, som andre forskere kan arbejde ud fra.

DG-centerleder ved CP3-Origins på Syddansk Universitet, professor Francesco Sannino, beskæftiger sig med universets mindste byggesten. Stof i universet er opbygget af atomer, som er opbygget af protoner, neutroner og elektroner. Protoner og neutroner er igen opbygget af kvarker og gluoner –  såkaldte elementarpartikler, som ikke kan deles i mindre dele. I øjeblikket arbejder Sannino på at forstå den fundamentale vekselvirkning – interaktion – mellem partikler, heriblandt mellem kvarker. Helt præcist forsøger han med en anderledes teoretisk tilgang at skabe grundlag for en udbygning af standardmodellen – partikelfysikkens grundteori.

Standardmodellen beskriver vekselvirkningerne mellem partikler, men er ikke en fundamental teori i den forstand, fordi modellen bryder sammen ved ekstremt små afstande mellem elementarpartiklerne. Partikelfysikerne forsøger derfor at udbygge modellen for i bedste fald at skabe en såkaldt teori for alting. Gennem de seneste år har Francesco Sannino arbejdet på en anderledes teoretisk tilgang, som kan ligge til grund for alternative udbygninger af standardmodellen. I en artikel publiceret i tidsskriftet Physical Review Letters 28. december 2017 og en relateret artikel i tidsskriftet Physical Review D fra september samme år fremlægger Sannino og hans kollegaer en teori, der både kan testes eksperimentelt, men også danner et nyt rammesæt, som andre forskere kan tage udgangspunkt i.

”Det kan sammenlignes med, at vi tidligere har haft et bestemt sæt legoklodser, vi kunne bygge af, men nu tilføjer vi en helt ny bunke klodser til vores sæt. Derved har vi nu flere byggesten, hvilket åbner andre synsvinkler og nye muligheder for at konstruere modeller, som man måske tidligere ikke var i stand til at se,” fortæller Francesco Sannino.

Et anderledes paradigme for kvarkers interaktion

I dag er det herskende paradigme inden for kvarkers vekselvirkning såkaldt asymptotisk frihed. Teorien siger, at kvarker er født frie, fordi de ikke ænser hinanden, når afstanden mellem kvarkerne er ekstremt kort. Omvendt er det umuligt at trække kvarkerne fra hinanden og isolere partiklerne. Kræfterne mellem kvarker kan derved sammenlignes med en slags elastikker: jo længere kvarkerne trækkes fra hinanden, desto kraftigere er vekselvirkningen, så elastikken trækker partiklerne tilbage. Men jo tættere kvarkerne er på hinanden, desto mere frie er de for elastikkens kræfter.

Opdagelsen af asymptotisk frihed i teorien for kvarker og gluoners vekselvirkning udløste i 2004 Nobelprisen i fysik til tre amerikanske forskere. I modsætning til standardmodellen som helhed er teorien fundamental i den forstand, at asymptotisk frihed i princippet kan gælde på alle længdeskalaer. Endnu er der dog ingen eksperimenter, som har udforsket, hvad der sker blandt kvarkerne på ekstremt korte afstande.

Det er her teorien, som Sannino arbejder med, kommer ind i billedet. Teorien opererer med et andet paradigme, såkaldt asymptotisk sikkerhed. Sannino mener dog selv, at asymptotisk frysning er en mere dækkende betegnelse.  Asymptotisk sikkerhed går i bund og grund ud på, at kvarkerne kun er ’næsten’ frie og upåvirkede af andre kvarker, når de hverken er for tæt på hinanden eller for langt fra hinanden. Det betyder, at kvarkerne altså forsat altid interagerer på meget små afstande, men at interaktion så at sige fryser i stedet at ophøre.

Muliggør nye teorier for naturen

Asymptotisk sikkerheds fordel over asymptotisk frihed er, at det er muligt at gøre hele standardmodellen asymptotisk sikker og dermed sikre teoriens fundamentale aspekt. Men for at asymptotisk sikkerhed kan opnås, kræver det dog eksistensen af adskillige nye partikler, som vekselsvirker med kendt stof. I artiklen, som netop er publiceret i Physical Review Letters, argumenterer Sannino og hans kollegaer for, at man ved at udbygge standardmodellen med partikler med specifikke vekselvirkninger kan opnå en asymptotisk sikker og fundamental teori.

”Resultaterne, vi fremlægger i artiklen, viser, at det er muligt at konstruere nye grundlæggende teorier for naturen, der er baseret på asymptotisk sikkerhed. Det er meget interessant, fordi det ændrer synspunktet på vekselvirkningen mellem kvarker og potentielt betyder, at vi kan gøre standardmodellen fundamental. Samtidigt åbner resultaterne for, at andre forskere kan bruge vores teoretiske rammesæt til skabe og teste egne teorier,” fortæller Sannino.

Den mulige eksistens af adskillige ukendte partikler er samtidigt godt nyt for de forskere, der afsøger muligheder for helt ukendt fysik. Fx i forhold til eksperimenterne med partikelacceleratoren LHC på forskningscenteret CERN i Schweiz, hvor store forskningsprojekter jagter signaler og tegn på eksistensen af nye partikler.