Om du ber en fysiker som jag att förklara hur världen fungerar, kan mitt lata svar vara:"Det följer standardmodellen."

Standardmodellen förklarar den grundläggande fysiken för hur universum fungerar. Den har uthärdat över 50 resor runt solen trots att experimentella fysiker ständigt letat efter sprickor i modellens fundament.

Med få undantag har den stått sig för denna granskning och klarat experimentellt test efter experimentellt test med glans. Men denna väldigt framgångsrika modell har konceptuella luckor som tyder på att det finns lite mer att lära om hur universum fungerar.

Jag är neutrinofysiker. Neutrinos representerar tre av de 17 fundamentala partiklarna i standardmodellen. De glider igenom alla människor på jorden alla tider på dygnet. Jag studerar egenskaperna hos interaktioner mellan neutriner och normala materiapartiklar.

År 2021 genomförde fysiker runt om i världen ett antal experiment som undersökte standardmodellen. Teamen mätte grundparametrarna i modellen mer exakt än någonsin tidigare. Andra undersökte gränserna för kunskap där de bästa experimentella mätningarna inte riktigt matchar förutsägelserna från standardmodellen. Och slutligen, grupper byggde mer kraftfulla tekniker utformade för att driva modellen till dess gränser och potentiellt upptäcka nya partiklar och fält. Om dessa ansträngningar slår igenom kan de leda till en mer komplett teori om universum i framtiden.

Fylla hål i standardmodell

År 1897 började J.J. Thomson upptäckte den första fundamentala partikeln, elektronen, med hjälp av något annat än glasvakuumrör och trådar. Mer än 100 år senare upptäcker fysiker fortfarande nya delar av standardmodellen.

Standardmodellen är ett prediktivt ramverk som gör två saker. Först förklarar den vad de grundläggande partiklarna i materia är. Det här är saker som elektroner och kvarkar som utgör protoner och neutroner. För det andra förutsäger den hur dessa materialpartiklar interagerar med varandra med hjälp av "budbärarpartiklar". Dessa kallas bosoner – de inkluderar fotoner och den berömda Higgs-bosonen – och de kommunicerar naturens grundläggande krafter. Higgs-bosonen upptäcktes inte förrän 2012 efter årtionden av arbete på CERN, den enorma partikelkollideraren i Europa.

Standardmodellen är otroligt bra på att förutsäga många aspekter av hur världen fungerar, men den har några hål.

Noterbart innehåller den inte någon beskrivning av gravitationen. Medan Einsteins teori om allmän relativitet beskriver hur gravitationen fungerar, har fysiker ännu inte upptäckt en partikel som förmedlar gravitationskraften. En riktig "Theory of Everything" skulle göra allt som standardmodellen kan, men även inkludera budbärarpartiklarna som kommunicerar hur gravitationen interagerar med andra partiklar.

En annan sak som standardmodellen inte kan göra är att förklara varför någon partikel har en viss massa – fysiker måste mäta massan av partiklar direkt med hjälp av experiment. Först efter att experiment ger fysiker dessa exakta massor kan de användas för förutsägelser. Ju bättre mätningar, desto bättre förutsägelser kan göras.

Nyligen mätte fysiker i ett team vid CERN hur starkt Higgs-bosonen känner sig själv. Ett annat CERN-team mätte också Higgs-bosonens massa mer exakt än någonsin tidigare. Och slutligen gjordes det också framsteg med att mäta massan av neutriner. Fysiker vet att neutriner har mer än noll massa men mindre än den mängd som för närvarande kan detekteras. Ett team i Tyskland har fortsatt att förfina teknikerna som kan göra det möjligt för dem att direkt mäta massan av neutriner.

Tips om nya krafter eller partiklar

I april 2021 tillkännagav medlemmar av Muon g-2-experimentet vid Fermilab sin första mätning av myonens magnetiska moment. Myonen är en av de grundläggande partiklarna i standardmodellen, och denna mätning av en av dess egenskaper är den mest exakta hittills. Anledningen till att detta experiment var viktigt var att mätningen inte perfekt matchade standardmodellens förutsägelse av det magnetiska momentet. I grund och botten beter sig inte myoner som de ska. Detta fynd kan peka på oupptäckta partiklar som interagerar med myoner.

Men samtidigt, i april 2021, visade fysikern Zoltan Fodor och hans kollegor hur de använde en matematisk metod som heter Lattice QCD för att exakt beräkna myonens magnetiska moment. Deras teoretiska förutsägelse skiljer sig från gamla förutsägelser, fungerar fortfarande inom standardmodellen och, viktigare, matchar experimentella mätningar av myonen.

Oenigheten mellan de tidigare accepterade förutsägelserna, detta nya resultat och den nya förutsägelsen måste förenas innan fysiker kommer att veta om det experimentella resultatet verkligen är bortom standardmodellen.

Uppgradering av fysikens verktyg

Fysiker måste svänga mellan att skapa de sinnesböjande idéerna om verkligheten som utgör teorier och avancerad teknik till den punkt där nya experiment kan testa dessa teorier. 2021 var ett stort år för att utveckla fysikens experimentella verktyg.

Först stängdes världens största partikelaccelerator, Large Hadron Collider vid CERN, av och genomgick några betydande uppgraderingar. Fysiker startade precis om anläggningen i oktober och de planerar att påbörja nästa datainsamlingskörning i maj 2022. Uppgraderingarna har ökat kraften hos kollideraren så att den kan producera kollisioner vid 14 TeV, upp från den tidigare gränsen på 13 TeV. Detta innebär att satserna av små protoner som färdas i strålar runt den cirkulära acceleratorn tillsammans bär samma mängd energi som ett 800 000 pund (360 000 kilogram) passagerartåg som färdas i 100 mph (160 km/h). Vid dessa otroliga energier kan fysiker upptäcka nya partiklar som var för tunga för att se vid lägre energier.

Vissa andra tekniska framsteg gjordes för att hjälpa sökandet efter mörk materia. Många astrofysiker tror att partiklar av mörk materia, som för närvarande inte passar in i standardmodellen, kan svara på några enastående frågor om hur gravitationen böjer sig runt stjärnor - så kallad gravitationslinsning - såväl som den hastighet med vilken stjärnor roterar i spiralgalaxer. Projekt som Cryogenic Dark Matter Search har ännu inte hittat partiklar av mörk materia, men teamen utvecklar större och känsligare detektorer som ska användas inom en snar framtid.

Särskilt relevant för mitt arbete med neutrinos är utvecklingen av enorma nya detektorer som Hyper-Kamiokande och DUNE. Med hjälp av dessa detektorer kommer forskare förhoppningsvis att kunna svara på frågor om en grundläggande asymmetri i hur neutriner oscillerar. De kommer också att användas för att se efter protonsönderfall, ett föreslaget fenomen som vissa teorier förutspår bör inträffa.

2021 lyfte fram några av de sätt som standardmodellen misslyckas med att förklara universums mysterium på. Men nya mätningar och ny teknik hjälper fysiker att gå vidare i sökandet efter Theory of Everything.