Teoretiska fysiker från PRISMA+ Cluster of Excellence vid Johannes Gutenberg University Mainz arbetar med en teori som går utöver standardmodellen för partikelfysik och kan svara på frågor där standardmodellen måste passera – till exempel, med hänsyn till hierarkierna för massorna av elementarpartiklar eller förekomsten av mörk materia. Det centrala inslaget i teorin är en extra dimension i rumtiden. Tills nu, forskare har ställts inför problemet att deras teoriers förutsägelser inte kunde testas experimentellt. De har nu övervunnit detta problem i en publikation i det aktuella numret av European Physical Journal C .

Redan på 1920-talet i ett försök att förena gravitationskrafterna och elektromagnetismen, Theodor Kaluza och Oskar Klein spekulerade om existensen av en extra dimension bortom de välbekanta tre rymddimensionerna och tiden – som i fysiken kombineras till 4-dimensionell rumtid. Om det finns, En sådan ny dimension måste vara otroligt liten och omärklig för det mänskliga ögat. I slutet av 1990-talet har denna idé fått en anmärkningsvärd renässans, när man insåg att existensen av en femte dimension kunde lösa några av partikelfysikens djupa öppna frågor. Särskilt, Yuval Grossman från Stanford University och Matthias Neubert, då professor vid Cornell University, visade i en mycket citerad publikation att inbäddningen av standardmodellen för partikelfysik i en 5-dimensionell rumtid kunde förklara de hittills mystiska mönster som setts i massorna av elementarpartiklar.

Ytterligare 20 år senare, gruppen av Matthias Neubert-sedan 2006 vid fakulteten vid Johannes Gutenberg-universitetet i Mainz (Tyskland) och talesman för PRISMA+ Cluster of Excellence-gjorde en annan oväntad upptäckt:de fann att de 5-dimensionella fältekvationerna förutsade att det skulle finnas en ny, tung partikel med liknande egenskaper som den berömda Higgs-bosonen men en mycket tyngre massa – så tung, faktiskt, att den inte kan produceras ens vid den partikelkolliderare med högst energi i världen:Large Hadron Collider (LHC) vid European Centre for Nuclear Research CERN nära Genève (Schweiz). "Det var en mardröm", minns Javier Castellano Ruiz, en Ph.D. student involverad i forskningen, "vi var glada över tanken att vår teori förutsäger en ny partikel, men det verkade vara omöjligt att bekräfta denna förutsägelse i något förutsebart experiment."

Omvägen genom den femte dimensionen

I en nyligen publicerad tidning i European Physical Journal C , forskarna hittade en spektakulär lösning på detta dilemma. De upptäckte att deras föreslagna partikel nödvändigtvis skulle förmedla en ny kraft mellan de kända elementarpartiklarna (vårt synliga universum) och den mystiska mörka materien (den mörka sektorn). Även överflödet av mörk materia i kosmos, som observerats i astrofysiska experiment, kan förklaras av deras teori. Detta erbjuder spännande nya sätt att söka efter beståndsdelarna i den mörka materien - bokstavligen via en omväg genom den extra dimensionen - och få ledtrådar om fysiken på ett mycket tidigt stadium i vårt universums historia, när den mörka materien producerades. "Efter år av sökande efter möjliga bekräftelser på våra teoretiska förutsägelser, vi är nu övertygade om att den mekanism vi har upptäckt skulle göra den mörka materien tillgänglig för kommande experiment, eftersom egenskaperna hos den nya interaktionen mellan vanlig materia och mörk materia – som förmedlas av vår föreslagna partikel – kan beräknas exakt inom vår teori, säger Matthias Neubert, chef för forskargruppen. "I slutändan - så vårt hopp - kan den nya partikeln upptäckas först genom sin interaktion med den mörka sektorn." Detta exempel illustrerar fint det fruktbara samspelet mellan experimentell och teoretisk grundvetenskap - ett kännetecken för PRISMA+ Cluster of Excellence.