Wallenberg Academy Fellows

Kan supersymmetri förklara mörk materia?

Sara Strandberg har alltid varit filosofiskt lagd. Hon har lockats av det okända och drivits av en önskan att förstå världen. Idag letar hon efter något som kanske inte ens finns: toppkvarkens supersymmetriska partner. Hittar hon den kommer hon att kunna förklara mörk materia och lösa flera av universums andra mysterier.

– Jag började läsa till veterinär, men medan mina kurskamrater pratade om tarmar så satt jag och funderade på vad som skulle hända om man ramlade in i ett svart hål. Så jag bytte linje och började läsa fysik istället, berättar Sara Strandberg.

I den moderna fysiken hittade hon en plats för de stora frågorna som alltid intresserat henne: Varför ser världen ut som den gör? Hur kom universum till? Och hur passar vi in i det stora världsalltet.

– Redan under grundutbildningen drogs jag också mot partikelfysiken eftersom det är den del av fysiken som sysslar med det totalt okända. Det är ett vetenskapligt område där man fortfarande kan göra upptäckter som ingen har tänkt på förut.

Inom partikelfysiken studerar man materiens allra minsta beståndsdelar, de så kallade elementarpartiklarna, och de krafter som verkar mellan dem. Som doktorand forskade Sara Strandberg om en av elementarpartiklarna, den så kallade toppkvarken, vid partikelacceleratorn på Fermilab utanför Chicago i USA.

– Innan man byggde CERN:s stora hadronkolliderare LHC i Schweiz så var partikelaccelerator på Fermilab den bästa i världen. Det var också där man upptäckte toppkvarken 1995. Min uppgift var att mäta toppkvarkens egenskaper noggrannare eftersom det var den minst kända partikeln just då.

Standardmodellen

Elementarpartiklarna och deras interaktioner via elektromagnetisk, stark och svag växelverkan beskrivs av den så kallade standardmodellen. Denna modell har hittills varit mycket framgångsrik när det gäller att förklara världens uppbyggnad, men det har blivit alltmer uppenbart att den inte är någon heltäckande modell. Till exempel finns inte gravitationskraften med i modellen och den kan inte heller förklara vad universums mörka materia består av.

Det som alla i de stora forskarlagen vid forskningslaboratoriet CERN gör idag är att försöka förstå hur man kan utvidga standardmodellen för att göra den mer allomfattande.

– Vi behöver helt enkelt utvidga den här teorin för att kunna förklara en mängd saker som vi inte förstår, som till exempel varför det finns mörk materia och vad den består av.

Idag har Sara Strandberg en viktig roll inom ATLAS-experimentet vid CERN. Som Wallenberg Academy Fellow vill hon bidra till att bringa klarhet i hur standardmodellen kan utvidgas så att den bättre beskriver vår värld. För att göra det forskar hon på supersymmetri.

”Anslaget betyder väldigt mycket. Till exempel har jag nu kunnat anställa två postdoktorala forskare. Att gruppen är större är betydelsefullt, för nu kan vi driva egna saker. Vi kan också jobba på flera nivåer. På så sätt kan vi vara en nyckelspelare i jakten på nya partiklar och det känns jättekul.”

Vad är då supersymmetri? Jo, elementarpartiklarna kan delas in i fermioner och bosoner. Till fermionerna hör kvarkarna, elektroner och neutriner, det vill säga partiklar som materien är uppbyggd av. Vissa bosoner, som till exempel fotonen, W-bosonerna och Z-bosonen, är bärare av de fundamentala krafterna. Teorin om supersymmetri är en möjlig utvidgning av standardmodellen som innebär att varje elementarpartikel har en så kallad supersymmetrisk partner.

– Hypotesen om supersymmetri inför en symmetri mellan fermioner och bosoner. Den säger att för varje fermion så ska det finnas en boson och för varje boson så ska det finnas en fermion. Det betyder alltså att man dubblar antalet partiklar i teorin och det kan man ju tycka verkar helt galet, men egentligen är det en enkel utvidgning av den matematiska formalismen. Man lägger bara till en enda symmetri och så har man förklarat en massa saker.

Mörk materia-kandidat

Det finns en del saker som talar för att teorin om supersymmetri stämmer. Till att börja med kan supersymmetri ge en partikel som är en mörk materia-kandidat. Dessutom kan supersymmetri hjälpa till att förena de fundamentala naturkrafterna.

– Det är absolut inte så att jag är övertygad om att supersymmetri finns, det vet vi ju inte. Det enda vi egentligen gör är att försöka hitta avvikelser från standardmodellen, någonting som inte är som standardmodellen förutsäger, och då är supersymmetri ett väldigt bra sätt att leta efter det.

Mer precist är Saras Strandbergs uppgift att med hjälp av data från ATLAS-experimentet leta efter den supersymmetriska partnern till toppkvarken, det vill säga en boson.

– Hittar vi den så har vi dels bevisat hypotesen om supersymmetri, och hittar vi vilken som helst av de supersymmetriska partiklarna så har vi också med största sannolikhet förklarat den mörka materien.

Viktig forskning

Sara Strandberg klassar sig själv som otroligt nyfiken och entusiastisk. Hon undrar över allt och ifrågasätter det mesta och hon tycker att den forskning hon bedriver är viktig.

– Partikelfysiken gränsar lite till konst eftersom det är en slags tolkning av världen och det är viktigt eftersom vi människor har ett behov av att förstå. Sen om man tittar på vad samhället får tillbaka från grundforskningen så är det med råge betalt. Det är i de här stora internationella jätteknepiga projekten som spetsteknikutvecklingen sker. Sen kommer det samhället till del i form av massor av olika spinn-off projekt, som till exempel World Wide Web och magnetisk resonanstomografi (MRT).

Text Anders Esselin
Foto Magnus Bergström