Fysik handler om at udforske de mest fundamentale mysterier i naturen, så det er ikke overraskende, at fysikere har nogle meget grundlæggende spørgsmål om universet i hovedet. For nylig bad Symmetry Magazine (udgivet af to af den amerikanske regering finansierede fysiklaboratorier) en gruppe partikelfysikere om at nævne de åbne spørgsmål inden for fysikken, som de ønsker svar på mest. Her er et udpluk af de dilemmaer, de delte:

“Hvad bliver vores universets skæbne?”

Digteren Robert Frost spurgte som bekendt, om verden ville ende i ild eller is, og fysikerne kan stadig ikke svare på det spørgsmål. Universets fremtid – spørgsmålet er navngivet af Steve Wimpenny fra University of California, Riverside – afhænger i vid udstrækning af mørk energi, som på nuværende tidspunkt er en ukendt enhed. Mørk energi er ansvarlig for den accelererende udvidelse af universet, men dens oprindelse er helt mystisk. Hvis den mørke energi er konstant over tid, vil vi sandsynligvis se frem til en “big freeze” i fremtiden, hvor universet fortsætter med at udvide sig hurtigere og hurtigere, og hvor galakserne til sidst er så spredt fra hinanden, at rummet virker som en stor ødemark. Hvis den mørke energi øges, kan denne udvidelse blive endnu voldsommere, så ikke blot rummet mellem galakserne, men også rummet inden i dem udvider sig, og galakserne selv bliver revet fra hinanden – en skæbne, der kaldes den “store flænge”. En anden mulighed er, at den mørke energi aftager, så den ikke kan modvirke tyngdekraftens indadtrækkende kraft, hvilket får universet til at falde tilbage i sig selv i et “big crunch”. Så i bund og grund er vi dødsdømt, uanset hvordan det går, uanset hvad. På den lyse side bør ingen af disse muligheder indtræffe inden for milliarder eller trillioner af år – masser af tid til at beslutte, om vi håber på ild eller is.

“Higgsbosonen giver absolut ingen mening. Hvorfor eksisterer det?”

Tonen i dette spørgsmål var en spøg i munden, siger spørgeren, Richard Ruiz fra University of Pittsburgh, men det peger på en meget reel mangel på forståelse af karakteren af den partikel, som sidste år blev opdaget ved Large Hadron Collider (LHC) i Europa. Higgsbosonen er med til at forklare, hvordan alle andre partikler har fået deres masse, men den rejser også mange andre spørgsmål. Hvorfor interagerer Higgs-bosonen f.eks. forskelligt med hver enkelt partikel – topkvarken interagerer meget stærkere med Higgs-bosonen end elektronen, hvilket giver topkvarken en meget større masse end elektronen. “Dette er det eneste eksempel på en “ikke-universel” kraft i standardmodellen,” siger Ruiz. Desuden er Higgsbosonen den første fundamentale partikel, der er fundet i naturen med nul spin. “Det er en helt ny sektor i standardmodellens partikelfysik”, siger Ruiz. “Hvordan den opstår, har vi ingen anelse om.”

“Hvorfor er universet så udsøgt afbalanceret, at liv kan eksistere?”

Med udgangspunkt i oddsene burde vi egentlig ikke være her. Galakser, stjerner, planeter og mennesker er kun mulige i et univers, der udvidede sig med den helt rigtige hastighed i de tidlige dage. Denne udvidelse blev styret af det udadgående skub fra mørk energi, der var i krig med den indadgående tyngdekraft fra universets masse, som domineres af den usynlige slags kaldet mørkt stof. Hvis disse størrelser havde været anderledes – hvis den mørke energi f.eks. havde været bare en smule stærkere efter universets fødsel – ville rummet have udvidet sig for hurtigt til, at der kunne dannes galakser og stjerner. Men en smule mindre mørk energi ville have fået universet til at kollapse ind i sig selv. Så hvorfor, spørger Erik Ramberg fra Fermilab i Batavia, Ill., er de så perfekt afbalancerede for at muliggøre det univers, vi lever i? “Vi kender ikke til en grundlæggende grund til, at der skulle være en sådan balance”, siger Ramberg. “Der er ingen tvivl om, at mængden af mørk energi i universet er det mest udsøgt finjusterede tal i fysikkens historie.”

“Hvor kommer astrofysiske neutrinoer fra?”

Ekstremt højenergi-neutrinoer forudsiges at komme fra sammenstød mellem hurtige ladede partikler, kaldet kosmisk stråling, og lette partikler (fotoner) i den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling, der gennemsyrer universet. Men hvad der sætter denne proces i gang, og hvordan de kosmiske stråler accelereres, er et åbent spørgsmål. En førende idé er, at stof, der falder ned i de sultne supermassive sorte huller i midten af galakserne, giver anledning til kosmisk stråling – men der er endnu ingen beviser for denne hypotese. Man mener, at de resulterende neutrinoer bevæger sig så hurtigt, at hver lillebitte partikel har lige så meget energi i sig som en hurtigt kastet baseball (som har milliarder og atter milliarder af milliarder af atomer). “Vi kan ikke engang forstå, hvor disse tingester kommer fra,” siger Abigail Vieregg fra Kavli Institute for Cosmological Physics ved University of Chicago, som stillede spørgsmålet. “Hvis vi finder ud af det, kan vi lære om de kilder, der accelererer disse partikler til ekstremt høje energier.”

“Hvordan kan det være, at universet er lavet af stof og ikke af antimaterie?”

Antimaterie er som stof på modsatte dag: Det har de samme egenskaber som det stof, der udgør planeter, stjerner og galakser, men en afgørende del er anderledes – dets ladning. Universet startede angiveligt med lige store dele stof og antimaterie, men på en eller anden måde vandt stoffet, idet det meste af begge stoffer tilintetgjorde hinanden kort efter big bang og efterlod et lille overskud af stof tilbage. Hvorfor antimaterien tabte denne kamp, er der ingen, der kan gætte på. Forskerne har travlt med at lede efter processer, der kaldes krænkelser af ladningspariteten, hvor partikler foretrækker at henfalde til stof og ikke til antimaterie, for at forklare forskellen. “Vi er især interesserede i at forsøge at se, om neutrino-svingninger er forskellige mellem neutrinoer og antineutrinoer,” siger Alysia Marino fra University of Colorado, som delte spørgsmålet med Symmetry. “Det er noget, der ikke er blevet set indtil videre, men vi håber, at den næste generation af eksperimenter vil se nærmere på det.”