Fysik handlar om att undersöka naturens mest grundläggande mysterier, så det är ingen överraskning att fysikerna har några mycket grundläggande frågor om universum i sina huvuden. Nyligen bad Symmetry Magazine (som publiceras av två av den amerikanska regeringen finansierade fysiklaboratorier) en grupp partikelfysiker att nämna de öppna frågor inom fysiken som de helst vill ha svar på. Här är ett urval av de dilemman som de delade med sig av:

”Vad blir vårt universums öde?”

Poeten Robert Frost ställde den berömda frågan om världen skulle sluta i eld eller is, och fysikerna kan fortfarande inte svara på den frågan. Universums framtid – den fråga som namnges av Steve Wimpenny vid University of California, Riverside – beror till stor del på mörk energi, som i dagsläget är en okänd entitet. Mörk energi är ansvarig för universums accelererande expansion, men dess ursprung är helt mystiskt. Om den mörka energin är konstant över tiden, kommer vi troligen att få se en ”big freeze” i framtiden, då universum fortsätter att expandera snabbare och snabbare, och så småningom är galaxerna så utspridda från varandra att rymden ser ut som en enorm ödemark. Om den mörka energin ökar kan denna expansion bli ännu värre, så att inte bara utrymmet mellan galaxer utan även utrymmet inom dem expanderar, och galaxerna själva slits isär – ett öde som kallas för ”big rip”. Ett annat alternativ är att den mörka energin minskar så att den inte kan motverka gravitationens inåtriktade dragningskraft, vilket leder till att universum faller tillbaka in i sig självt i en ”big crunch”. Så i princip är vi dödsdömda, oavsett hur det går. På den ljusa sidan bör ingen av dessa eventualiteter inträffa på miljarder eller biljoner år – gott om tid att avgöra om vi hoppas på eld eller is.

”Higgsbosonen är helt meningslös. Varför finns den?”

Tonen i denna fråga var lite lättsinnig, säger frågeställaren, Richard Ruiz vid universitetet i Pittsburgh, men den pekar på en mycket verklig brist på förståelse för karaktären hos den partikel som förra året upptäcktes vid Large Hadron Collider (LHC) i Europa. Higgsbosonen hjälper till att förklara hur alla andra partiklar har fått sin massa, men den väcker också många andra frågor. Varför interagerar till exempel Higgsbosonen med varje partikel på olika sätt – den översta kvarken interagerar mycket starkare med Higgsbosonen än vad elektronen gör, vilket ger den översta kvarken en mycket större massa än elektronen. ”Detta är det enda exemplet på en ”icke-universell” kraft i standardmodellen”, säger Ruiz. Dessutom är Higgsbosonen den första fundamentala partikel som hittats i naturen med noll spinn. ”Detta är en helt ny sektor inom standardmodellens partikelfysik”, säger Ruiz. ”Vi har ingen aning om hur den uppstår.”

”Varför är universum så utsökt balanserat att liv kan existera?”

Med tanke på oddsen borde vi egentligen inte vara här. Galaxer, stjärnor, planeter och människor är bara möjliga i ett universum som expanderade med precis rätt hastighet under sina första dagar. Denna expansion styrdes av den mörka energins tryck utåt som stod i strid med den inre gravitationella dragningskraften från universums massa, som domineras av den osynliga typ som kallas mörk materia. Om dessa kvantiteter hade varit annorlunda – om den mörka energin hade varit bara en aning starkare efter universums födelse, till exempel – skulle rymden ha expanderat för snabbt för att galaxer och stjärnor skulle ha kunnat bildas. Men en aning mindre mörk energi skulle ha fått universum att kollapsa in i sig självt. Så varför, frågar sig Erik Ramberg vid Fermilab i Batavia, Ill., är de så perfekt balanserade för att möjliggöra det universum vi lever i? ”Vi känner inte till någon grundläggande anledning till varför denna balans skulle existera”, säger Ramberg. ”Det råder ingen tvekan om att mängden mörk energi i universum är den mest utsökt finjusterade siffran i fysikens historia.”

”Varifrån kommer astrofysiska neutriner?”

Extremt högenergirika neutriner förutspås bli resultatet av kollisioner mellan snabba laddade partiklar, så kallade kosmiska strålar, och ljuspartiklar (fotoner) i den kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen som genomsyrar universum. Men vad som sätter denna process i rörelse och hur den kosmiska strålningen accelereras är öppna frågor. En ledande idé är att materia som faller in i de hungriga supermassiva svarta hålen i galaxernas centrum ger upphov till kosmisk strålning – men det finns ännu inga bevis för denna hypotes. Man tror att de resulterande neutrinerna färdas så snabbt att varje pytteliten partikel har lika mycket energi i sig som en snabbt kastad baseboll (som har miljarder och åter miljarder atomer). ”Vi kan inte ens förstå var de här sakerna kommer ifrån”, säger Abigail Vieregg vid Kavli Institute for Cosmological Physics vid University of Chicago, som ställde frågan. ”Om vi tar reda på det kan vi lära oss mer om de källor som accelererar dessa partiklar till extremt höga energier.”

”Hur kommer det sig att universum består av materia och inte av antimateria?”

Antimateria är som materia på motsatt dag: den har samma egenskaper som det material som utgör planeter, stjärnor och galaxer, men en viktig del är annorlunda – dess laddning. Universum ska ha börjat med lika delar materia och antimateria, men på något sätt vann materien, och det mesta av de båda ämnena förintade varandra strax efter big bang, vilket lämnade ett litet överskott av materia kvar. Varför antimateria förlorade denna dragkamp är det ingen som kan gissa. Forskarna är upptagna med att söka efter processer som kallas laddningsparitetsöverträdelser, där partiklar föredrar att sönderfalla till materia och inte till antimateria, för att förklara skillnaderna. ”Vi är särskilt intresserade av att försöka se om neutrinooscillationer skiljer sig åt mellan neutriner och antineutriner”, säger Alysia Marino vid University of Colorado, som delade frågan med Symmetry. ”Detta är något som inte har setts hittills, men vi hoppas att nästa generations experiment kommer att titta närmare på detta.”