Populärvetenskaplig presentation: Higgspartikeln

Partikelfysik

Partikelfysiken har sin grund i slutet på 1800-talet då fysiker upptäckte att atomen inte var materiens minsta beståndsdel. Den moderna partikelfysiken beskriver hur vårt universum är uppbyggt samt hur universums byggstenar interagerar med varandra för att bilda materia, antimateria och allt som vi ser idag. De fyra fundamentala krafterna som beskrivs av partikelfysiken förklarar hur partiklarna interagerar med varandra genom s.k. kraftbärare. Experimentens mål är att hitta svagheter i de teorier vi har idag genom att t.ex. upptäcka eller utesluta nya partiklar samt nya modeller för hur allt hänger ihop.

Från materia till elementära partiklar

Materia kallas det som bygger upp vårt universum. Det innefattar allt vi kan se, allt vi fysiskt kan känna och allt som kan detekteras. Tidigare trodde vi att atomerna var de minsta byggstenarna men idag vet vi att även atomerna kan sönderdelas i mindre partiklar (atomkärnan som består av protoner och neutroner, samt elektroner). Till och med atomkärnans byggstenar kan sönderdelas i mindre partiklar, så kallade kvarkar. Det finns även andra elementarpartiklar (partiklar som inte kan sönderdelas ytterligare) som bygger upp vårt universum och förmedlar de krafterna som finns.

Universums fundamentala krafter

I universum finns det fyra krafter som beskriver alla interaktioner mellan de minsta beståndsdelarna, elementarpartiklarna. De krafterna är den starka kraften, den svaga växelverkan, den elektromagnetiska kraften och gravitationskraften.

  • Den starka kraften finns i atomkärnan och binder ihop kärnans kvarkar i både protoner och neutroner.
  • Den elektromagnetiska kraften finns i atomen och binder elektronerna till atomkärnan.
  • Den svaga växelverkan gör att det blir möjligt för elementära partiklar att utbyta energi, massa och laddning vid radioaktivt betasönderfall. Detta betyder i själva verket att de kan omvandlas till varandra. Neutriner växelverkar endast genom svag växelverkan. Den svaga växelverkan är även den kraft som gör att tunga kvarkar och leptoner sönderfaller till lättare.
  • Gravitationskraften är ett mysterium då det inte finns en kvantmekanisk teori för hur elementarpartiklar interagerar med gravitation. Därför ingår den inte i beskrivningen av mikrokosmos, men däremot kan kraften förklara makrokosmos från ett klassiskt fysikaliskt perspektiv.

Den elektromagnetiska kraften och den svaga växelverkan kan tolkas som två skilda sidor av en enda elektrosvag växelverkan. Denna tanke tilldelades Nobelpriset i fysik 1979.

Standardmodellen

Standardmodellen är ett teoretiskt ramverk som beskriver universums minsta beståndsdelar, elementarpartiklarna, och hur dessa interagerar genom utbyte av kraftbärare.

Bara de partiklar som finns i den första kolumnen (längst till vänster) finns i det universum som vi ser idag, de andra fanns vid universums födelse och har sedan dess sönderfallit till dem i den första kolumnen. De övriga partiklarna kan även bildas i högenergetiska partikelkollisioner.

Alla partiklar i standardmodellen har en motsvarande antipartikel, exempelvis positronen (e+) som är antipartikel till elektronen (e-). En del partiklar är sin egen antipartikel, som Higgsbosonen eller fotonen.

Higgsbosonen

Standardmodellen för partikelfysik beskriver framgångsrikt alla de elementarpartiklar vi känner till och hur de växelverkar med varandra. Men vår förståelse av naturen är inte komplett. Framförallt kan de partiklar i standardmodellen som vi känner till inte besvara en grundläggande fråga: Varför har de flesta elementarpartiklar massa?

Utan massa skulle universum se helt annorlunda ut. Till exempel, om elektronen inte hade någon massa skulle det inte finnas några atomer. Då skulle det inte heller finnas någon vanlig materia, ingen kemi, ingen biologi och inga människor. Dessutom lyser solen tack vare en delikat balans mellan de olika grundläggande krafterna i naturen som skulle ställas helt på sin ända om en del av de kraftbärande partiklarna inte hade en stor massa.

Vid första påseende verkar det som begreppet massa inte passar in i standardmodellen för partikelfysik. Två av de krafter som modellen beskriver – elektromagnetism och den svaga kärnkraften – kan beskrivas med en gemensam teori, den för den elektrosvaga kraften. Fysiker har testat den elektrosvaga teorin med många olika experiment, och den har klarat alla med flaggan i topp. Trots det verkar det som de grundläggande ekvationerna kräver att alla elementarpartiklar är masslösa.

Fysikerna behövde ett sätt att förklara denna motsägelse. Peter Higgs och flera andra fysiker, upptäckte en mekanism som tillåter att partiklarna i standardmodellen har massa. Denna mekanism kallas numera Higgsmekanismen. Genom att göra denna till en del av standardmodellen kunde fysiker göra förutsägelser för en rad storheter, som till exempel massan för den tyngsta partikel vi känner till, toppkvarken. Experiment vid Tevatronacceleratorn på Fermilab, hittade toppkvarken med den massa som man kunde förutsäga med hjälp av ekvationer som använde sig av Higgsmekanismen.

Enligt teorin fungerar Higgsmekanismen som ett medium som finns överallt. Partiklar får massa genom att växelverka med detta medium. Peter Higgs påpekade att mekanismen krävde att det finns ytterligare en hittills okänd partikel, som vi nu kallar Higgsbosonen. Higgsbosonen är en grundläggande del av Higgsmediet, på ett liknande sätt som fotoner är en grundläggande del av ljus.

Higgsbosonen är den enda partikeln som förutsägs av standardmodellen som ännu inte har observerats i experiment. Higgsmekanismen förutsäger inte vilken massa Higgsbosonen har utan snarare ett område inom vilket massan bör finnas. Som tur är skulle Higgsbosonen ge ett unikt partikelavtryck som beror av dess massa. Så fysiker vet vad de ska leta efter och de skulle kunna beräkna massan från de partiklar de ser i detektorn.

Det är också möjligt att experimenten visar att Higgsbosonens massa är annorlunda än vad man förväntar sig i standardmodellen. Många teorier, som till exempel supersymmetri och modeller med substruktur, förutsäger att det finns ett helt zoo av nya partiklar, bland annat flera sorters Higgsbosoner. Om någon av dessa teorier visar sig stämma skulle Higgsbosonen kunna bli en port till en ny värld av partiklar att upptäcka. Å andra sidan, om LHC inte hittar någon Higgsboson skulle det ge stöd till en annan klass av teorier som förklarar Higgsmekanismen på ett annat sätt.

Senaste nytt om sökandet efter Higgspartikeln kan hittas här.