Som fysiker som arbetar på Large Hadron Collider (LHC) i Cern är en av de vanligaste frågorna jag får "När ska du hitta något?" Motstå frestelsen att sarkastiskt svara "Bortsett från Higgs-bosonen, som vann Nobelpriset, och en hel massa nya kompositpartiklar?" Jag inser att anledningen till att frågan ställs så ofta beror på hur vi har skildrat framsteg inom partikelfysik till den stora världen.

Vi pratar ofta om framsteg när det gäller att upptäcka nya partiklar, och det är det ofta. Att studera en ny, mycket tung partikel hjälper oss att se underliggande fysiska processer – ofta utan störande bakgrundsljud. Det gör det enkelt att förklara värdet av upptäckten för allmänheten och politiker.

På senare tid har dock en rad exakta mätningar av redan kända, myrstandardpartiklar och processer hotat att skaka om fysiken. Och när LHC gör sig redo att springa med högre energi och intensitet än någonsin tidigare, är det dags att börja diskutera konsekvenserna brett.

I själva verket har partikelfysik alltid gått till på två sätt, varav nya partiklar är en. Den andra är genom att göra mycket exakta mätningar som testar teoriernas förutsägelser och letar efter avvikelser från vad som förväntas.

De tidiga bevisen för Einsteins allmänna relativitetsteori kom till exempel från upptäckten av små avvikelser i stjärnornas uppenbara positioner och från Merkurius rörelse i dess omloppsbana.

Tre nyckelresultat

Partiklar lyder en kontraintuitiv men enormt framgångsrik teori som kallas kvantmekanik. Denna teori visar att partiklar som är alldeles för massiva för att göras direkt i en labbkollision fortfarande kan påverka vad andra partiklar gör (genom något som kallas "kvantfluktuationer"). Mätningar av sådana effekter är dock mycket komplexa och mycket svårare att förklara för allmänheten.

Men nya resultat som antyder oförklarlig ny fysik utöver standardmodellen är av denna andra typ. Detaljerade studier från LHCb-experimentet fann att en partikel känd som en skönhetskvark (kvarkar utgör protonerna och neutronerna i atomkärnan) "förfaller" (faller sönder) till en elektron mycket oftare än till en myon - elektronen är tyngre, men annars identiska, syskon. Enligt standardmodellen borde detta inte hända – vilket tyder på att nya partiklar eller till och med naturkrafter kan påverka processen.

Spännande nog visar mätningar av liknande processer som involverar "toppkvarkar" från ATLAS-experimentet vid LHC att detta sönderfall sker med samma hastighet för elektroner och myoner.

Samtidigt har Muon g-2-experimentet vid Fermilab i USA nyligen gjort mycket exakta studier av hur myoner "vacklar" när deras "snurr" (en kvantegenskap) interagerar med omgivande magnetfält. Den fann en liten men betydande avvikelse från några teoretiska förutsägelser – vilket återigen antydde att okända krafter eller partiklar kan vara i arbete.

Det senaste överraskande resultatet är en mätning av massan av en fundamental partikel som kallas W-bosonen, som bär på den svaga kärnkraften som styr radioaktivt sönderfall. Efter många år av datainsamling och analys antyder experimentet, även det på Fermilab, att det är betydligt tyngre än vad teorin förutsäger – avvikande med en mängd som inte skulle hända av en slump i mer än en miljon miljoner experiment. Återigen kan det vara så att ännu oupptäckta partiklar ökar sin massa.

Intressant är dock att detta inte stämmer överens med vissa mätningar med lägre precision från LHC (presenteras i den här studien och den här).

Dommen

Även om vi inte är helt säkra på att dessa effekter kräver en ny förklaring, verkar bevisen växa för att lite ny fysik behövs.

Naturligtvis kommer det att finnas nästan lika många nya mekanismer som föreslås för att förklara dessa observationer som det finns teoretiker. Många kommer att se till olika former av "supersymmetri". Detta är tanken att det finns dubbelt så många fundamentala partiklar i standardmodellen än vi trodde, där varje partikel har en "superpartner". Dessa kan involvera ytterligare Higgs-bosoner (associerade med fältet som ger fundamentala partiklar deras massa).

Andra kommer att gå utöver detta och åberopa mindre nyligen moderiktiga idéer som "technicolor", vilket skulle innebära att det finns ytterligare naturkrafter (utöver gravitation, elektromagnetism och de svaga och starka kärnkrafterna), och kan betyda att Higgs-bosonen är i själva verket ett sammansatt föremål gjord av andra partiklar. Endast experiment kommer att avslöja sanningen i saken – vilket är goda nyheter för experimentalister.

De experimentella teamen bakom de nya fynden är alla väl respekterade och har arbetat med problemen under lång tid. Som sagt, det är ingen respektlöshet för dem att notera att dessa mätningar är extremt svåra att göra. Dessutom kräver förutsägelser av standardmodellen vanligtvis beräkningar där approximationer måste göras. Detta innebär att olika teoretiker kan förutsäga lite olika massor och sönderfallshastigheter beroende på antagandena och approximationsnivån som görs. Så det kan vara så att när vi gör mer exakta beräkningar kommer några av de nya fynden att passa med standardmodellen.

Likaså kan det vara att forskarna använder subtilt olika tolkningar och därför hittar inkonsekventa resultat. Att jämföra två experimentella resultat kräver noggrann kontroll av att samma nivå av approximation har använts i båda fallen.

Dessa är båda exempel på källor till "systematisk osäkerhet", och även om alla berörda gör sitt bästa för att kvantifiera dem, kan det uppstå oförutsedda komplikationer som under- eller överskattar dem.

Inget av detta gör de aktuella resultaten mindre intressanta eller viktiga. Vad resultaten illustrerar är att det finns flera vägar till en djupare förståelse av den nya fysiken, och de måste alla utforskas.

Med omstarten av LHC, finns det fortfarande utsikter att nya partiklar kan skapas genom sällsynta processer eller hittas gömda under bakgrunder som vi ännu inte har upptäckt. + Utforska vidare

Tittar in på Higgs bosons interaktion med charmkvarken

Den här artikeln är återpublicerad från The Conversation under en Creative Commons-licens. Läs originalartikeln.