Populärvetenskaplig presentation: Elementarpartikelfysik

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 bekräfta eller 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 elementarpartiklar 

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 insikt tilldelades Nobelpriset i fysik 1979. 

Standardmodellen 

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

Fermioner

Figuren visar standardmodellens materiepartiklar, som delas in i leptoner och kvarkar. Den mest kända leptonen är elektronen, och kvarkar är beståndsdelarna i t.ex. protoner och neutroner. Materiepartiklarna är de laddade leptonerna (e, µ, τ) med tillhörande neutriner (νe, νµ och ντ), samt kvarkarna: upp-, ner-, charm-, sär-, topp- och botten-kvarkar (u, d, c, s, t, b). 

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

Till standardmodellens partiklar hör även kraftförmedlarna. Fotonen förmedlar den elektromagnetiska kraften, gluoner förmedlar den starka kraften och den svaga kraften förmedlas av W- och Z-partiklar. 

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 Z-partikeln eller fotonen. 

Higgsbosonen 

Den senast upptäckta elementarpartikeln är Higgsbosonen, med vars hjälp vi kan förklara varför elementarpartiklar har en massa. 

Utan partikelmassor 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 växelverkan – 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, François Englert 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. 

Higgsfältet fungerar som ett medium som finns överallt. Partiklar får massa genom att växelverka med detta fält. 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. 

2012 tillkännagav ATLAS- och CMS-experimenten vid LHC på CERN att de hade funnit en ny partikel som skulle kunna vara den förutspådda Higgsbosonen, och ytterligare mätningar av experimenten har bekräftat detta. Forskare från Uppsala universitet deltog i arbetet med upptäckten av Higgsbosonen vid ATLAS-experimentet.

2013 års Nobelpris i fysik tilldelades Peter Higgs och François Englert ”för den teoretiska upptäckten av en mekanism som bidrar till förståelsen av massans ursprung hos subatomära partiklar, och som nyligen, genom upptäckten av den förutsagda fundamentala partikeln, bekräftats av ATLAS- och CMS-experimenten vid CERN:s accelerator LHC” (källa: https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2013/9656-pressmeddelande-nobelpriset-i-fysik-2013/ )

Bortom standardmodellen

I och med upptäckten av Higgsbosonen är standardmodellen komplett. Men det återstår ännu många frågor inom partikelfysiken:
 

  • Den existerande mängden materia kan inte förklara hur galaxer rör sig. Det måste finnas en stor mängd materia som varken absorberar eller sänder ut ljus, så kallad mörk materia. Vad denna mörka materia består av är ännu helt okänt, även om många hypoteser har lagts fram. Om standardmodellen utökas med nya partiklar skulle några av dem kunna vara tunga och växelverka enbart genom den svaga kraften, vilket skulle kunna vara mörk materia.
  • Varför finns det så mycket mer materia än antimateria i universum? Många av standardmodellens lagar är helt symmetriska vad gäller partiklar och antipartiklar, och den lilla asymmetri som finns hos kvarkar räcker inte för att förklara varför nästan hela universum består av materia. En utvidgning av standardmodellen skulle kunna föra med sig nya partiklar och växelverkningar som skulle kunna leda till ytterligare brott mot partikel-antipartikelsymmetrin. 
  • Higgsbosonens egen massa är också en gåta. För att teoretiskt beräkna den krävs en lång rad av termer med alternerande positiva och negativa tecken, som tar ut varandra med en extrem precision, vilket är osannolikt. Partiklar bortom standardmodellen skulle kunna ge stabilitet i den här uträkningen.

Med ATLAS-experimentet vid LHC försöker vi besvara dessa (och många andra) frågor!

Aktuell forskning i gruppen [https://www.physics.uu.se/forskning/hogenergifysik/forskargrupper/atlas/pagaende-forskning/]

Se https://atlas.cern/ för mer information.