Efter Higgs: Jagten på ny fysik
Den berømte Higgs-partikel er fundet, men fysikerne holder ikke op med at lede. Higgs-partiklen opfører sig nemlig ganske som forudsagt – og det er netop problemet. Der mangler stadig noget.

Nu har fysikerne opdaget alle standardmodellens partikler: Seks forskellige kvarker (røde), seks forskellige leptoner (grønne), fire kraftpartikler (lilla) og så Higgs-partiklen. Men måske findes der mange flere partikler, der bare venter på at blive fundet. (Illustration: Fermilab)

Champagnepropperne sprang, og fysikerne jublede, da en ny elementarpartikel blev fundet i juli sidste år.

Allerede dengang var de fleste enige om, at det måtte være den længe eftersøgte Higgs-partikel, hvilket netop er bekræftet.

Fundet var enormt vigtigt, for Higgs-partiklen var den eneste brik, der manglede i det puslespil, som fysikerne kalder standardmodellen - en teori for naturens mindste bestanddele, altså alt det stof og de kræfter, der findes i universet.

Higgs-partiklen opfører sig ganske som forudsagt af standardmodellen, og alt burde være fryd og gammen. Men partikelfysikerne er nu alligevel ikke helt tilfredse. De ville faktisk hellere have fundet en partikel, der ikke helt passede ind i den gængse teori.

Se også på Videnskab.dk en video om, hvordan Higgs-partiklen blev fundet

Higgs forklarer ikke alt

Sagen er den, at der mangler noget. Standardmodellen forklarer nemlig ikke alt. Den kan ikke fortælle, hvad universet mørke stof er, og den kan ikke rigtig kombineres med vores bedste teori for tyngdekraften, Einsteins almene relativitetsteori.

Og selv om Higgs-partiklen (eller rettere det allestedsnærværende Higgs-felt) forklarer, hvorfor stoffet har masse - hvorfor ting vejer noget - så har standardmodellen ingen forklaring på, hvorfor de forskellige partikler er så tunge, som de nu engang er.

Derfor er der brug for ny fysik. De teoretiske fysikere skal udvikle nye teorier, der passer med alt det, som vi kan observere - inklusive det mørke stof, som man ikke kan se direkte, men som man kan se virkningen af, fordi det påvirker synligt stof gennem tyngdekraften.

Udfordringen er nu, at en ny fysikteori for alting skal passe med en partikel som den, der er produceret i CERN's store partikelaccelerator LHC - en forudsigelig og ganske kedelig Higgs-partikel uden de store overraskelser.

En sammensat partikel

Men måske er partiklen ikke så kedelig endda, og Mads Toudal Frandsen er blandt de fysikere, der hepper på, at det ikke blot er en standard-model-Higgs, der nu er fundet.

Han er lektor på Syddansk Universitet i Odense og har sin daglige gang på universitets center for partikelfysik CP3-Origins (Center of Excellence for Cosmologi and Particle Physics Phenomenology), hvor fysikerne arbejder ihærdigt på at lappe de huller, der er i vores forståelse af naturen.

»Jeg satser på, at det er en sammensat partikel, der er fundet i LHC. En partikel, der består af nogle nye elementarpartikler, som vi ikke har opdaget før,« siger Mads Toudal Frandsen.

Måske er Higgs'en i technicolor

Fakta

Sådan fandt de Higgs-partiklen
Ideen med den enorme partikelaccelerator LHC er at samle en masse energi på et meget lille sted. Det gøres ved at lade protoner - kerner fra brintatomer - fare hver sin vej rundt i acceleratoren og lade dem kollidere, når de er kommet godt op i fart.

Ved sammenstødet sættes Higgs-feltet i svingninger, der med lidt held kan manifestere sig som en partikel - Higgs-partiklen. Den henfalder hurtigt til andre partikler, som kan fanges i enorme detektorer.

Nu er spørgsmålet så, om det virkelig er standardmodellens Higgs-partikel, der er fundet - og om der dukker andre partikler op, når acceleratoren genstartes efter en voldsom opgradering. Det sker i 2015.

På CP3-Origins arbejder forskerne med en teori, der kaldes technicolor. Ifølge denne teori findes der en femte naturkraft.

»Vi kender fire naturkræfter - tyngdekraften, den elektromagnetiske kraft, den svage kernekraft og den stærke kernekraft,« fortæller Mads Toudal Frandsen og fortsætter:

»Den sidste er den, der binder kvarker sammen i protoner og neutroner. På samme måde kan en femte naturkraft - technicolorkraften - binde en ny slags elementarpartikler kaldet techni-kvarker sammen til partikler som den, der er fundet i LHC.«

»Hvis teorien er korrekt, er det altså en techni-higgs, de har fundet ved CERN.«

Masser af nye partikler

Standardmodellens Higgs er en elementarpartikel, men fysikerne i Odense mener altså, at det kan være en partikel sat sammen af to techni-kvarker, der er fundet spor efter i LHC's detektorer.

Hvis det passer, er den ikke alene.

»Ifølge teorien må der være en masse nye partikler, der ligger klar til at blive opdaget.«

»Techni-kvarker vil binde sig sammen til mange andre partikler end den, der nu er fundet. Så der vil være en masse nye partikler, som i første omgang ligner elementarpartikler, men som altså ikke er det,« siger Mads Toudal Frandsen.

Acceleratoren bliver opgraderet

Mads Toudal Frandsen mener, at det kan være den letteste af techni-partiklerne, der er fundet. De tungere er sværere at producere og kræver en kraftigere accelerator.

Sådan en er heldigvis på vej. De næste par år er LHC lukket ned, så teknikerne kan opgradere den til at blive næsten dobbelt så kraftig, som den hidtil har været. Og så er spørgsmålet, om der dukker nye partikler op.

»Det burde være muligt at se tungere techni-partikler ved den opgraderede LHC, men det vil sandsynligvis tage nogle år.«

Den første af fem Higgs-partikler?

En ny partikel, der ikke passer ind i standardmodellen, behøver dog ikke nødvendigvis at være en techni-partikel. Der er nemlig adskillige andre fysikteorier på banen.

LHC tunnelen med acceleratoren ved det såkaldte 'point 4, zone RF' i CERN. (Foto: 2012CERN)

En af de mest populære kaldes supersymmetri.

Her har hver eneste af de elementarpartikler, der kendes fra standardmodellen - inklusive dem, som alting omkring os består af - en superpartner. Til elektronen hører en selektron, til fotonen hører en fotino og så videre.

Inden for supersymmetri findes der ikke bare én, men hele fem forskellige elementære Higgs-partikler. Det kan være den letteste af dem, der er observeret ved CERN.

Nye teorier kan forklare mørkt stof

Udover supersymmetri-higgs'er burde nogle af de andre super-partikler også dukke op i kraftige acceleratorer som LHC. Derfor håber de teoretiske fysikere, der arbejder med supersymmetri, også på opdagelser af nye partikler, når LHC er blevet opgraderet. Partikler med eksotiske navne som neutralino, gravitino eller sneutrino.

For både technicolor og supersymmetri gælder, at teorierne kan byde på tunge partikler, som i modsætning til Higgs-partiklen er stabile, og som ikke vekselvirker særlig meget med almindeligt stof. Disse partikler kan være det mystiske mørke stof, som findes i rigelige mængder i universet.

Så er spørgsmålet, om fysikerne kan finde ud af, om eventuelle nye partikler så bekræfter technicolor-teorien, supersymmetri-teorien eller en helt tredje fysikteori.

Masser af arbejde til fysikerne

Det burde være til at finde ud af, siger Mads Toudal Frandsen.

»En ny techni-partikel vil vekselvirke på en helt bestemt måde med techni-higgs'en, og den vil ikke ligne noget, der kan produceres i supersymmetriske teorier.«

»Omvendt byder supersymmetri på mindst fem higgs-partikler, som ikke vil ligne techni-partikler. På den måde kan man se forskel.«

Selv om fundet af Higgs-partiklen var et stort gennembrud, har den faktisk ikke ført fysikken så meget videre - vi har ikke opnået en dybere forståelse af virkeligheden på det mest fundamentale plan.

Ny fysik og nye elementarpartikler er nødvendige for at forklare, hvordan verden hænger sammen. Der vil være brug for nye og kraftigere partikelacceleratorer til at producere de nye partikler, og partikelfysikerne bliver ikke arbejdsløse foreløbigt.

Lyt på Videnskab.dk!

Hver uge laver vi digital radio, der udkommer i form af en podcast, hvor vi går i dybden med aktuelle emner fra forskningens verden. Du kan lytte til den nyeste podcast i afspilleren herunder eller via en podcast-app på din smartphone.

Har du en iPhone eller iPad, kan du finde vores podcasts i iTunes og afspille dem i Apples podcast app. Bruger du Android, kan du med fordel bruge SoundClouds app.
Du kan se alle vores podcast-artikler her eller se hele playlisten på SoundCloud

Det sker