Projektanslag

Söker förklaring till inneslutna partiklar

Ett särskilt pris väntar den som löser inneslutningsproblemet, en av partikelfysikens mest svårlösta gåtor. Forskare vid Uppsala universitet och forskningsinstitutet Nordita ligger i frontlinjen och filar tålmodigt på en lovande teori. Förhoppningen är att få svar på varför kvarkar, materiens minsta byggstenar, sitter fast i protoner och neutroner.

Joseph Minahan har sin arbetsplats på Ångströmlaboratoriet, några kilometer söder om Uppsala centrum. Hans svarta tavla är täckt av ekvationer som vittnar om komplexa resonemang.

– Jag använder den inte så mycket själv, utan mest när någon doktorand eller masterstudent vill visa och diskutera något.

Den forskargrupp i teoretisk fysik som Joseph Minahan leder, utvecklar teorier som kan beskriva och beräkna samspelet mellan universums allra minsta partiklar, de man inom partikelfysiken kallar elementarpartiklar.

– Vi försöker förstå krafterna mellan dessa partiklar och det handlar om de kortaste möjliga avstånd man kan undersöka i naturen. Avstånden är till och med mindre än de man studerar i partikelacceleratorn i Cern. Det är fortfarande mycket vi inte förstår av dessa teorier, men det gör det också spännande.

Kvark fast i proton

I början av år 2000, när han precis hade flyttat till Uppsala från MIT i USA, träffade Joseph Minahan den ryska forskaren Konstantin Zarembo som arbetade på samma avdelning. De inledde ett samarbete kring en av de stora olösta frågorna inom partikelfysiken, det så kallade inneslutningsproblemet.

En atomkärna består av neutroner och protoner, som i sin tur består av partiklar som kallas kvarkar, förklarar Joseph Minahan.

– En kvark kan inte existera på egen hand, du kan inte ta ut en enskild kvark och titta på den. Kvarkarna hålls fast inuti protonen eller neutronen, och vi kallar detta fenomen inneslutning. Vi vet att det är på det här viset, att de inte kan komma ut, men vi vill, på en väldigt grundläggande nivå, förstå varför.

En av de saker som sker till följd av inneslutningen, berättar han, är att partiklar som normalt inte skulle ha en massa får det. Förklaringen till varför det blir så är en länge saknad pusselbit i partikelfysikens teoribygge. Fysikforskare refererar till detta som att ha en teorilucka.

– Om vi kan fylla den här luckan och förstå dessa egenskaper så kan vi kanske även förstå andra egenskaper inom partikelfysiken. Det vi gör inom det här området har dessutom influenser på utvecklingen inom vanlig matematik.

Startade nytt forskningsfält

Teorin som används för att förstå och beräkna den starka kraften som håller fast kvarken i protonen kallas gaugeteori. Det är en kvantfältsteori som beskriver partiklars växelverkan i materia. För att tackla inneslutningsproblemet behövde Joseph och Konstantin vidareutveckla en speciell gaugeteori. Och det visade sig att de var något på spåret.

– År 2003 gjorde vi ett stort framsteg och publicerade en vetenskaplig artikel som startade ett helt nytt forskningsfält inom teoretisk fysik. Idag arbetar runt två hundra forskare i världen inom det här området.

Joseph och Konstantin, som numera arbetar på nordiska institutet för partikelfysik, Nordita, i Stockholm, har fortsatt sitt samarbete genom åren. Tack vare stödet från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse kan de förstärka den svenska forskningen om gaugeteorierna som de båda så framgångsrikt satt på kartan.

– Anslaget betyder väldigt mycket för oss. Vi vill ha det här projektet rullande och kan nu anställa fler unga, internationella forskare.

Mindre supersymmetri

I slutändan handlar det om viljan att lösa de stora frågorna inom partikelfysiken, säger Joseph Minahan, och konstaterar samtidigt att dessa frågor för det mesta är för svåra att besvara. Därför bryter man ned dem i ”enklare” frågor.

– Ett sätt att förenkla problemen är att lägga till symmetri och göra dem supersymmetriska. Man antar att varje partikel har en superpartner med samma massa och laddning. Det låter som det skulle bli mer komplicerat, men när man lägger in extra partiklar i en teori tar många termer ut varandra och det gör allt mycket enklare att beräkna.

Gaugeteorin som Joseph och Konstantin arbetar med har den största mängd supersymmetri som går att stoppa in i en teori och fortfarande vara konsistent. Ett huvudmål i projektet är att komma bort från en del av supersymmetrin.

­– Även om vi kan göra fantastiska beräkningar med den här maximerat supersymmetriska gaugeteorin, så vet vi att den inte ger oss lösningen på inneslutningen. I den verkliga världen finns ingen supersymmetri alls. Vi måste minska på den i våra beräkningar för att komma närmare det exakta svaret. Tekniskt är detta väldigt svårt och det är den stora utmaningen för oss, säger Joseph Minahan.

Tålamod och uthållighet är bra egenskaper att ha som forskare inom teoretisk fysik.

–  Det här området har stått still ett tag, som det ofta gör inom fysiken tills någon publicerar en artikel med något nytt. Då tar det fart igen, kanske med en ny färdriktning. Just nu väntar vi på nästa genombrott och jag hoppas förstås att det är någon i min eller Konstantins grupp som står för det.

Text Susanne Rosén
Bild Magnus Bergström