Nya rön från forskning vid Large Hadron Collider (LHC) på Cern i Genève tyder på att vi kanske närmar oss tecken på oupptäckt fysik. Om de bekräftas skulle dessa antydningar välta standardmodellen – teorin som har dominerat partikelfysiken i 50 år. Resultaten tyder på att sättet som specifika subatomära partiklar beter sig på i LHC inte stämmer överens med standardmodellen.

Fundamentala partiklar är materiens mest grundläggande byggstenar – subatomära partiklar som inte kan delas upp i mindre enheter. De fyra fundamentala krafterna – gravitation, elektromagnetism, den svaga kraften och den starka kraften – styr hur dessa partiklar interagerar. LHC är en gigantisk partikelaccelerator byggd i en 27 km lång cirkulär tunnel under den fransk-schweiziska gränsen. Dess huvudsakliga syfte är att hitta sprickor i standardmodellen, som är vår bästa förståelse av fundamentala partiklar och krafter men inte förklarar gravitation eller mörk materia – den osynliga, omätta typen av materia som utgör ungefär 25 % av universum.

I LHC får man strålar av protonpartiklar som färdas i motsatta riktningar att kollidera, i ett försök att avslöja antydningar om oupptäckt fysik. De nya resultaten kommer från LHCb, ett experiment vid Large Hadron Collider där dessa kollisioner analyseras. Resultatet kommer från att studera sönderfallet – en sorts omvandling – av subatomära partiklar som kallas B-mesoner. Vi undersökte hur dessa B-mesoner sönderfaller till andra partiklar och fann att det specifika sättet detta sker på inte stämmer överens med standardmodellens förutsägelser.

Standardmodellen bygger på två av 1900-talets mest omvälvande framsteg inom fysik: kvantmekanik och Einsteins speciella relativitetsteori. Fysiker kan jämföra mätningar gjorda vid anläggningar som LHC med förutsägelser baserade på standardmodellen för att rigoröst testa teorin. Trots att vi vet att standardmodellen är ofullständig har partikelfysiker under över 50 år av allt rigorösare tester ännu inte hittat en spricka i teorin – det vill säga, potentiellt, fram till nu.

Vår mätning, som accepterats för publicering i Physical Review Letters, visar en spänning på fyra standardavvikelser från standardmodellens förväntningar. I verkliga termer innebär detta att, efter att ha beaktat osäkerheterna från experimentella resultat och från teoriförutsägelser, finns det bara en chans på 16 000 att en slumpmässig fluktuation i data av denna extremitet skulle inträffa om standardmodellen är korrekt. Även om detta inte når upp till vetenskapens guldstandard – vad som kallas fem sigma, eller fem standardavvikelser (ungefär en chans på 1,7 miljoner) – börjar bevisen hopa sig.

Som om inte det vore nog kommer resultat från ett oberoende LHC-experiment, CMS, som publicerades tidigare 2025. Även om CMS-resultaten inte är lika precisa som de från LHCb, stämmer de väl överens, vilket stärker fallet. Våra nya resultat har hittats i en studie av en särskild typ av process, känd som ett elektrosvagt pingvinsönderfall. Termen ”pingvin” syftar på en specifik typ av sönderfall (omvandling) av kortlivade partiklar. I detta fall studerar vi hur B-mesonen sönderfaller till fyra andra subatomära partiklar – en kaon, en pion och två myoner. Med lite fantasi kan man visualisera arrangemanget av de inblandade partiklarna som liknande en pingvin. Avgörande är att mätningar av detta sönderfall låter oss studera hur en typ av fundamental partikel, en beauty-kvark, kan omvandlas till en annan, den sällsamma kvarken.

Detta pingvinsönderfall är otroligt sällsynt i standardmodellen: för varje miljon B-mesoner kommer endast en att sönderfalla på detta sätt. Vi har noggrant analyserat vinklarna och energierna vid vilka dessa partiklar produceras i sönderfallet, och exakt bestämt hur ofta processen äger rum. Vi fann att våra mätningar av dessa kvantiteter inte stämmer överens med standardmodellens förutsägelser.

Precisa undersökningar av sönderfall som detta är ett av huvudmålen för LHCb-experimentet, och har varit det sedan starten.