I årtionden, partikelfysik har varit domänen för massiva kolliderare som piskar runt partiklar med höga hastigheter och krossar dem i varandra medan lag av tusentals observerar resultaten. Denna typ av experiment har gett stor insikt i krafter och partiklar som utgör den fysiska världen.

Men Stanford -fysikern Peter Graham förespråkar ett mycket annorlunda tillvägagångssätt - ett som kan vara snabbare och billigare än massiva kolliderare, och det kanske kan upptäcka tidigare svårfångade former av fysik som mörk materia.

Graham påpekade att kolliderare kostar tiotals miljarder dollar och följer med så sällan att det bara kan finnas en ny kollider byggd under hans livstid. Hans tillvägagångssätt framkallar en tid då fysik kunde utföras på en bordsskiva av en eller två personer och ge resultat på bara några år.

"Det går tillbaka till det på vissa sätt, men använder mycket olika typer av teknik och olika tillvägagångssätt, "sa Graham, som är biträdande professor i fysik. "Det är en ny riktning för att leta efter de mest grundläggande naturlagarna."

Graham, som också är samarbetspartner med elementära partikelfysikavdelningen vid SLAC National Accelerator Laboratory, fick nyligen ett Breakthrough New Horizons in Physics Prize för sin nya regi, som han hoppas att fler kommer att ansluta sig till. Han talade med Stanford Report om varför fysiken behöver nya typer av experiment, vad mörk materia kan vara och hur han hoppas kunna upptäcka det.

Du har sagt att dina experiment utforskar ny fysik. Vad betyder det?

Standardmodellen för partikelfysik är allt vi har upptäckt. Det förklarar nästan alla experiment som någonsin gjorts över gigantiska skalor, från kärnor till galaxer. Det finns egentligen bara några få saker som det inte förklarar, som vi kallar ny fysik. Vi vet att det finns saker där bortom vad vi har sett, som mörk materia, och nya grundlagar. Det är de sakerna vi försöker upptäcka.

Mörk materia är en form av ny fysik som du kanske kan upptäcka. Kan du förklara vad mörk materia är och varför fysiker tror att den existerar?

Initialt, människor insåg att det finns mycket mer gravitation som drar in på galaxer än de kunde redogöra för. Antingen var tyngdlagarna felaktiga, vilket var möjligt, eller det var något annat som vi inte vet om att dra på galaxerna. Hur som helst, du kan inte förklara det med vad vi vet.

Det finns nu många bevis på att vår förståelse av gravitation inte är fel, och istället finns det något nytt som fysiker har döpt mörk materia till. Det har varit ett stort mål i fysiken att förstå mörk materia och komma med nya typer av experiment för att försöka upptäcka det. Men du måste ha några gissningar om vad det kan vara om du ska hitta det. Det är en universell poäng i vetenskapen att du måste ha en aning om vad du letar efter för att veta hur du ska gå tillväga för att leta efter det.

Vilka är några av teorierna om vad mörk materia kan vara?

Det finns mycket bevis för två kandidater, kallas WIMP och axioner. Du kan leta efter WIMP:er [svagt interagerande massiva partiklar] med mer traditionella tekniker, som de gigantiska kolliderarna, och det väckte stor uppmärksamhet.

Det fanns bara ett experiment som letade efter axioner och det tittade bara på en del av det möjliga axionsspektrumet. Det var ett skrämmande scenario att axioner kan vara den mörka materien och det kanske inte finns något sätt att upptäcka dem. Axioner är mycket svåra att söka efter eftersom de inte interagerar mycket med våra experiment.

Mörk materia kan också vara en galet ny typ av partiklar, eller en kombination av WIMP och axioner, eller till och med samlingar av svarta hål. Vi vet inte.

Vad motiverade dig att tänka på alternativa sätt att utforska ny fysik?

En del av motivationen är att de stora kolliderarna är viktiga men de blir också dyra att bygga. Dessutom, vi inser att några nya teorier om mörk materia verkligen inte kunde upptäckas vid kolliderare.

Mitt arbete har varit att ta tekniker från andra fysikområden och använda dem i partikelfysik. Genombrottspriset är riktigt trevligt eftersom det ger en stämpel av godkännande och verkligen kan hjälpa oss att få igång denna nya experimentella riktning.

Kan du ge mig ett exempel på en typ av experiment du har utformat?

Människor hade tänkt på ett sätt att upptäcka axion mörk materia och det gjorde ett bra jobb för högre massaxioner, men kunde omöjligt se axlar med lägre massa. Vi kom med en ny teknik för att detektera axlar med låg massa. Det innebar att kombinera NMR [kärnmagnetisk resonans], som vanligtvis används i medicinska applikationer, och magnetometri, vilket är ett mycket exakt verktyg för att mäta magnetfält. Vi använder NMR för att förstärka axionsignalen så att magnetometern kan ta upp den.

Vi har redan börjat bygga detta experiment, och det kan ge resultat om några år. Det är väldigt spännande eftersom den här typen av experiment kan ge resultat på korta tidsskalor.

Varför är det viktigt att utforska dessa nya gränser inom fysik?

Mänskligheten har alltid stirrat upp på stjärnorna och undrat varför vi är här. Den här typen av frågor, som den mörka materiens natur, berätta om universums födelse, varför hela universum är här.

Men en del av det för mig är också att jag vill bidra lite. Ett exempel på hur grundläggande fysik hjälper människor kom från kvantmekanik. Jag är säker på att vid den tiden trodde de att det var en ren fysikövning och hade ingen relation till människors hälsa. Väl, vi lärde oss kvantmekanik och nu har vi MR -maskiner och PET -skanningar. Jag skulle säga att det är en väldigt viktig lektion. Människor är kreativa och vi hittar sätt att använda ny information.