4. juli 2012 var det jubel blant fysikere over hele verden. Da fant nemlig forskere ved organisajonen CERN i Sveits Higgs-bosonet, en helt elementær byggestein i universet, på dataskjermene sine.
Fysiker Peter Higgs hadde beskrevet partikkelen helt tilbake i 1964 - den måtte rett og slett eksistere for at ting forskere hadde sett i andre eksperimenter, skulle stemme.
Det var imidlertid ingen som hadde funnet den før i 2012.
Nå er maksinen som fant Higgs-bosonet i 2012 blir klar for en ny sesong, etter tre og et halvt år med oppgraderinger.
Åpen for veddemål
– Jeg tror vi finner et Higgs-boson til, et som er lettere, nærmere bestemt 96 GeV tungt, sier teoretisk fysiker Are Raklev, som er åpen for veddemål, hvis noen vil vedde imot.
GeV står for giga-elektron-volt og er en praktisk enhet for massen til de ørsmå elementærpartiklene.
Vi kommer tilbake til det nye mulige Higgs-bosonet, men først en aldri så liten kikk på maskineriet.
Are Raklev er professor ved Fysisk institutt ved UiO, her under et besøk på CERN i 2019.(Foto: Yngve Vogt / Apollon)
Kamera på størrelse med en bygård
«The Large Hadron Collider» (LHC) er verdens største og kraftigste partikkelakselerator. Den befinner seg i en 27 kilometer lang ringformet tunnel på grensa mellom Sveits og Frankrike, like utenfor Genève.
I tunnelen sirkulerer bittesmå partikler, som oftest protoner, men i noen perioder også blykjerner, i to retninger. Fire steder langs ringen krysses de to partikkelstrålene slik at partiklene kan kollidere.
Utstyret som kan registrere hva som skjer i kollisjonene, kalles detektorer. De er på størrelse med en bygård og fungerer litt som et stort og uhyre raskt kamera.
Både akseleratoren og detektorene er oppgradert slik at hastigheten til partiklene er økt litt, fra en kollisjonsenergi på 13 teraelektronvolt (en fart nær lysets hastighet, red. anm.) til 13,6 teraelektronvolt, TeV. Dermed kan maskinen lage litt tyngre partikler enn før.
Flere kollisjoner for å finne sjeldenheter
– Men det viktigste er at vi kan få mange flere kollisjoner enn vi har hatt til nå, sier Raklev.
Han forteller at det forskerne har sett etter hittil er de lavthengende fruktene, ting det var lett å sjekke.
– En del av de enkle tingene var ikke der, så nå leter eksperimentene etter vanskeligere saker, sier han.
Og skal du finne vanskelige ting med en partikkelakselerator, må du ha en masse data å kamme gjennom.
Annonse
– Eksperimentene skal både lete etter ting som skjer veldig sjelden og finmåle på partikler vi allerede kjenner til, sier han.
Undersøker ukjente sider ved Higgs-bosonet
Partikkelen det knytter seg mest spenning til, er det nyeste medlemmet av familien, Higgs-bosonet - også kalt «gudspartikkelen».
– Det er mye vi ikke vet om Higgs-bosonet, og det har en sentral plass i standardmodellen, teorien som beskriver elementærpartiklene og kreftene som virker mellom dem. Det er som en blekksprut som har tentaklene sine overalt blant de andre partiklene, sier Raklev.
Gjennom interaksjon med Higgs-bosonet, får de andre elementærpartiklene masse. Eller var det ikke så enkelt?
Når Higgs-bosoner lages i partikkelkollisjonene på CERN, eksisterer de bare en brøkdel av et øyeblikk før de omdannes til andre partikler. Prosessen skjer så raskt at vi ikke kan se Higgs-bosonet direkte, vi ser bare partiklene det omdannes til.
Elementærpartikler deler seg grovt sett i to typer: Materiepartikler, bittesmå byggeklosser som elektroner og kvarkene inne i atomkjernen; og kraftpartikler, som fotonet, som formidler den elektromagnetiske kraften.
Partiklene i standardmodellen. Gravitonet er hypotetisk.(Illustrasjon: André-Pierre Olivier via CERN)
Som om ikke det skulle være nok, finnes det tre utgaver av hver av materiepartiklene. Elektronet har for eksempel to tyngre versjoner, myon og tau. Hvorfor det finnes akkurat tre utgaver og hvorfor de er så tunge, er fremdeles ikke kjent.
– Vi har bare sett hvordan Higgs-bosonet omdannes til kraftpartikler og de tyngste materiepartiklene. Det høres kanskje ut som en kuriositet for partikkelfysikere, men dette er viktig for å si om Higgs-bosonet faktisk gir masse til de lette materiepartiklene. Det er et åpent spørsmål, sier Raklev.
Om Higgs-bosonet gir masse til de lette partiklene, kan vi finne ut ved å se at det omdannes til disse partiklene. Higgs-partikler som blir til to tau-partikler er allerede observert i LHC-eksperimenter.
– Omdanning av Higgs til myoner kan vi se med mer data på LHC, men vi kan ikke se at de omdannes til elektroner. Jo lettere partikler, jo mindre interagerer de og da skjer det sjeldnere, forklarer Raklev.
Vitenskapens nest største avvik mellom teori og eksperiment
Annonse
Higgs-bosonet gjemmer også en rekke andre mysterier. Det aller største er kanskje hvorfor Higgs-partikkelen er så lett.
– Massen til Higgs-partikkelen burde vært 16 størrelsesordener større. Vi forstår ikke hvorfor den er så lett, sier Raklev.
Dette var grunnen til at en del fysikere ikke trodde det var mulig å finne Higgs-bosonet på LHC. Stephen Hawking var en av dem. Han tapte 100 dollar i et veddemål.
– Forutsigelsen av Higgs-massen er vitenskapens nest største avvik mellom teori og måling. Det største var den kosmologiske konstanten, hvor det skiller 30 størrelsesordener, sier Raklev.
Lovende sprekker i teorien
Partikkelforskerne har en bunnsolid teori, den såkalte standardmodellen, som forklarer hvordan elementærpartikler og naturkrefter samhandler med hverandre. Dette er grunnlaget for hvordan atomer bygges opp og bindes til molekyler og dermed til all materie vi har rundt oss.
Gang på gang forutsier standardmodellen resultater av eksperimenter med nærmest forbløffende nøyaktighet.
Elementærpartiklene og kreftene som virker mellom dem. Standardmodellen håndskrevet av Maria V. Bøe.(Illustrasjon: Maria V. Bøe)
Likevel er forskernes største ønske å finne hull i denne teorien.
Forskerne har allerede sett flere tegn på sprekker i teorien. I april i år publiserte Fermilab i USA en ny og svært nøyaktig måling av massen til W-bosonet, en av to partikler som styrer fusjon av atomkjerner, radioaktivitet og får sola til å skinne.
I den nye målingen er W-bosonet litt for tungt til at det stemmer med teorien.
– Hvis W virkelig er tyngre, må det foregå noe som bryter med standardmodellen, selv om vi ikke helt vet hva, sier Raklev.
Det finnes en sammenheng mellom myonenes snurring og en mulig tyngre W enn forutsatt. Samme fenomen – de samme typene partikler – kan forårsake begge deler.
– En mulig kandidat er supersymmetri. Det er det alltid! Det er en av fordelene med supersymmetri, sier Raklev, kjent som svoren tilhenger.
Supersymmetri er en sekkebetegnelse på en rekke teorier hvor alle elementærpartiklene vi kjenner har en hittil uoppdaget partner; materiepartiklene har en kraftpartikkelbror og kraftpartiklene har en materiesøster. Slike modeller kan forklare mange nåværende problemer i teoretisk fysikk, blant annet hva mørk materie er.
Et ekstra lett Higgs-boson
– Det kan også hende det finnes et ekstra lett Higgs-boson som vi ikke har funnet ennå, som påvirker både massen til W-bosonet og snurringa til myonet, sier Raklev.
Selv tror han at dette finnes, og i løpet av 2-3 år vil forskerne få testet det, påpeker han.
Han henter ikke ideen fra løse lufta, det finnes noen uforklarte resultater allerede.
Unyttig kunnskap kan også være lønnsom
– Kan vi bruke denne kunnskapen til noe?
– Ikke direkte, men den gir oss et mer komplett bilde av universet. Og på veien blir det utviklet nyttig teknologi. For tida er det mest aktuelle å utvikle nye maskinlæringsteknikker som tas i bruk andre steder, sier Raklev.
– Økonomene regnet på konsekvensene av å bygge LHC og fant et stort samfunnsøkonomisk overskudd, påpeker han.
Annonse
Er det mer å finne?
Noen skeptikere har uttrykt en viss frykt for at det ikke skal finnes noe mer i naturen som er innenfor rekkevidden til LHC: at uoppdagede partikler og mekanismer skal foregå ved mye høyere energier enn de som kan oppnås ved partikkelakseleratorer.
Denne «energiørkenen» er ikke Raklev så bekymret for. Det må være noe mer å finne på lave energier, tror han.
– For det første er Higgs-partikkelen er så lett. Det er ikke løsbart uten at det finnes noe på lav energiskala som forklarer det. Dernest har vi mørk materie. Det er vanskelig å forestille seg at den er veldig mye tyngre enn det vi har tilgang til på LHC.
Dessuten har vi materie-antimaterie-problemet, påpeker han. Antimaterie har motsatt ladning av den materien som omgir oss.
– Hvis big bang produserte materie og antimaterie i like store mengder og materie og antimaterie utsletter hverandre, hvordan kan det ha seg at en liten del av materien overlevde og skapte dagens univers? Det er vanskelig, selv om det ikke er helt umulig, å tenke seg at det ikke finnes noe mer på lav energi. Sannsynligheten for å oppdage noe er veldig stor, mener han.
Lyst til å få et bedre grep om partikler, materie og krefter? Se denne presentasjonen av standardmodellen laget av Quanta Magazine:
