10 år efter Higgs-partiklen: Vil fundet åbne døren for andre modeller end standardmodellen?
Et årtis forskning i elementarpartiklen får nogle forskere til at spørge, om vi bliver nødt til at finde nye modeller til at beskrive fysikken?
Higgs-partikel fysik boson elementærpartikel CERN naturkraft Peter Higgs

Opdagelsen af Higgs-partiklen har sat spørgsmålstegn ved standardmodellens begrænsninger; er der for eksempel en mere grundlæggende teori om naturen? (Foto: CERN)

Opdagelsen af Higgs-partiklen har sat spørgsmålstegn ved standardmodellens begrænsninger; er der for eksempel en mere grundlæggende teori om naturen? (Foto: CERN)

Partner The Conversation

Videnskab.dk oversætter artikler fra The Conversation, hvor forskere fra hele verden selv skriver nyheder og bringer holdninger til torvs

For 10 år siden publicerede forskere opdagelsen af en elemantarpartikel, som fik navnet Higgs-partiklen. Den nyopdagede partikel hjælper med at forklare, hvorfor elementarpartikler (naturens mindste byggesten) har en masse.

For partikelfysikere var det afslutningen på en lang og enormt vanskelig rejse - og uden tvivl det vigtigste resultat i feltets historie.

Men slutningen markerede også begyndelsen på en ny tidsalder for den eksperimentelle fysik.

I de seneste 10 år har målinger af Higgs-partiklens egenskaber bekræftet standardmodellen for partikelfysikkens forudsigelser (som er vores bedste teori for partikler).

Men det har også sat spørgsmålstegn ved standardmodellens begrænsninger - eksempelvis om der er en mere grundlæggende teori om naturen.

Partiklen, der fik forskere til at undskylde

Fysikeren Peter Higgs forudsagde Higgs-partiklen i en række artikler, der blev udgivet mellem 1964 og 1966. Her beskrev han den som en uundgåelig konsekvens af den mekanisme, der er ansvarlig for at give elementarpartikler masse.

Teorien foreslår, at partikelmasser er en konsekvens af elementarpartikler, der interagerer med et felt, kaldet Higgs-feltet.

Ifølge samme model skulle et sådant felt også give anledning til en Higgs-partikel - hvilket betyder, at hvis Higgs-partiklen ikke var der, ville det i sidste ende gendrive hele teorien.

Fakta
Om Forskerzonen

Denne artikel er en del af Videnskab.dk’s Forskerzonen, hvor forskerne selv formidler deres forskning, viden og holdninger til et bredt publikum – med hjælp fra redaktionen.

Forskerzonen bliver udgivet takket være støtte fra vores partnere: Lundbeckfonden, Aalborg Universitet, Roskilde Universitet og Syddansk Universitet.

Forskerzonens redaktion prioriterer indholdet og styrer de redaktionelle processer, uafhængigt af partnerne. Læs mere om Forskerzonens mål, visioner og retningslinjer her.

Men det stod hurtigt klart, at det ville blive en udfordring at finde denne partikel. Da tre teoretiske fysikere beregnede Higgs-partiklens egenskaber, sluttede de af med en undskyldning:

»Vi undskylder overfor eksperimentalister for ikke at have nogen idé om, hvad Higgs-partiklens masse er ... og for ikke at være sikre på dens koblinger til andre partikler ... Derfor ønsker vi ikke at tilskynde til store eksperimentelle søgninger efter Higgs-partiklen.«

Først i 1989 begyndte det første eksperiment med en reel chance for at finde Higgs-partiklen at lede.

Idéen var at smadre partikler mod hinanden med så høj energi, at en Higgs-partikel kunne skabes i en 27 kilometer lang tunnel ved verdens største fysiklaboratorium CERN i Genève, Schweiz.

Verdens største partikelknuser

CERN består blandt andet af The Large Hadron Collider (LHC), som er den største accelerator eller elektron-positron-partikelknuser nogensinde bygget. En positron er elektronens antipartikel med samme masse og spin som elektronen, men med modsat (det vil sige positiv) elektrisk ladning.

Den kørte i 11 år, men dens maksimale energi viste sig at være 5 procent for lav til at producere en Higgs-partikel.

I mellemtiden var historiens mest ambitiøse amerikanske partikelaccelerator, Tevatron ved Fermilab, Chicago, begyndt at indsamle data.

Tevatron-partikelknuseren smadrer protoner (som sammen med neutroner udgør atomkernen) mod antiprotoner (næsten identiske med protoner, men med modsat ladning) med en energi, som var fem gange større, end hvad CERN opnåede – hvilket burde være nok til at producere en Higgs-partikel.

Syv gange større end Tevatron

Men proton-antiproton-sammenstød producerer en masse affald, hvilket gør det meget sværere at udtrække signaler fra dataen.

I 2011 ophørte partikeljagten ved Tevatron; Higgs-partklen blev heller ikke fundet i denne omgang.

I 2010 begyndte Large Hadron Collider at støde protoner mod hinanden med en energi, der var syv gange større end Tevatron.

Og endelig, 4. juli 2012, havde to uafhængige eksperimenter ved CERN hver indsamlet nok data til at kunne melde ud, at man endelig havde fundet Higgs-partiklen.

Året efter vandt Higgs og hans samarbejdspartner, François Englert, Nobelprisen 'for den teoretiske opdagelse af en mekanisme, der bidrager til vores forståelse af oprindelsen af  massen af subatomære partikler'.

Higgs-partikel fysik boson elementærpartikel CERN naturkraft Peter Higgs

Partikelacceleratoren Large Hadron Collider bliver drevet af Den Europæiske Organisation for Højenergifysik (CERN), der ligger tæt på den fransk-schweiziske ved Geneve. (Foto: Shutterstock)

Undersolgte bedriften - men med problemer forude

Men det er faktisk at undersælge bedriften. Uden Higgs-partiklen bryder hele den teoretiske ramme, der beskriver partikelfysik i dens mindste skala, sammen.

Uden Higgs-partiklen ville elementarpartiklerne være masseløse, der ville ikke være nogen atomer, ingen mennesker, ingen solsystemer og ingen struktur i universet.

Alligevel har opdagelsen rejst nye, grundlæggende spørgsmål.

Der foregår stadig eksperimenter i CERN, hvis formål det er at studere Higgs-partiklen. Partiklens egenskaber bestemmer ikke kun elementarpartiklernes masse, men også hvor stabile de er.

Som det står, indikerer resultaterne, at vores univers ikke er i en perfekt stabil tilstand, men i stedet - ligesom is ved smeltepunktet - kan universet pludselig gennemgå en hurtig 'faseovergang'.

Men i stedet for at gå fra et fast stof til et flydende - som is, der overgår til vand - vil det indebære en afgørende ændring af masserne - og naturens love i universet.

At universet alligevel virker stabilt tyder på, at der måske mangler et eller andet i beregningerne – noget, vi ikke har opdaget endnu.

Knivsæg mellem stabilitet og faseovergang

Efter tre års pause til at vedligeholde og opgradere er partikelknuseren LHC nu ved at genoptage arbejdet med en hidtil uset energi, som næsten er det dobbelte af, hvad der plejede at skulle til for at finde Higgs-partiklen.

Det vil måske hjælpe til at finde manglende partikler, der flytter vores univers væk fra den tilsyneladende knivsæg mellem stabilitet og en pludseligt gennemført faseovergang.

Eksperimentet kan måske også hjælpe med at besvare andre spørgsmål: Kan Higgs-partiklens unikke egenskaber eksempelvis åbne op for opdagelsen af mørkt stof, det usynlige stof, der udgør størstedelen af stoffet i universet?

Mørkt stof er ikke ladet, og Higgs-partiklen har en unik måde at interagere med ikke-ladet stof på.

Ny, ukendt kraft

De samme unikke egenskaber har fået fysikere til at stille spørgsmål til, om Higgs-partiklen måske alligevel ikke er en elementarpartikel.

Kan der være en ny, ukendt kraft ud over de andre naturkræfter – tyngdekraften, elektromagnetismen og de svage og stærke kernekræfter? Måske en kraft, der binder hidtil ukendte partikler til et sammensat objekt, vi kalder Higgs-partiklen?

Sådanne teorier kan hjælpe med at adressere de kontroversielle resultater af nylige målinger, som indikerer, at nogle partikler ikke opfører sig nøjagtigt, som standardmodellen forudsiger, at de burde.

Så studiet af Higgs-partiklen er afgørende for at afdække, om der er fysik, der skal opdages, ud over standardmodellen.

Moderne partikelfysik i ryggen

På et eller andet tidspunkt vil LHC løbe ind i det samme problem, som Tevatron gjorde: Protonkollisioner er besværlige, og energien fra kollisionerne kan kun nå så langt.

Selvom vi har den moderne partikelfysik i ryggen – som sofistikerede detektorer, avancerede detektionsmetoder og maskinlæring – til vores rådighed, er der en grænse for, hvad LHC kan opnå.

En fremtidig højenergi-partikelknuser, specielt designet til at producere Higgs-partikler, vil gøre os i stand til præcist at måle dens vigtigste egenskaber, eksempelvis hvordan en Higgs-partikel interagerer med andre Higgs-partikler.

Det vil igen afsløre, hvordan Higgs-partiklen interagerer med sit eget felt.

Ved at studere denne interaktion kan vi undersøge den underliggende proces, som giver partikler masse. Enhver uoverensstemmelse mellem den teoretiske forudsigelse og en fremtidig måling vil være et krystalklart tegn på, at vi er nødt til at opfinde helt ny fysik.

Disse målinger vil have en dybtgående effekt, der rækker langt ud over partikelaccelerator-fysikken, som leder eller begrænser vores forståelse af oprindelsen af mørkt stof, vores univers opståen – og måske dets ultimative skæbne.

Denne artikel er oprindeligt publiceret hos The Conversation og er oversat af Stephanie Lammers-Clark.

 

The Conversation

Alle må bruge og viderebringe Forskerzonens artikler

På Forskerzonen skriver forskere selv om deres forskning. Vi mener, det er vigtigt, at alle får mulighed for at læse om forskning fra forskerens egen hånd.

Alle må derfor bruge, kopiere og viderebringe Forskerzonens artikler udfra følgende enkle krav:

  • Det skal krediteres: 'Artiklen er oprindelig bragt på Videnskab.dk’s Forskerzonen, hvor forskerne selv formidler'. Hvis artiklen bringes på web, skal der linkes til artiklen på Forskerzonen.
  • Artiklen må ikke redigeres og skal bringes i fuld længde (medmindre andet aftales med forskeren).
  • Du skal give forskeren besked om, at du genpublicerer.
  • Artikler, som er oversat fra The Conversation, skal have indsat en HTML-kode til indsamling af statistik i bunden. HTML-koden finder du i den originale artikel på The Conversations hjemmeside ved at klikke på knappen "Republish this article" ude til højre, derefter klikke på 'Advanced' og kopiere koden. Du finder linket til artiklen på The Conversation i bunden af Forskerzonens oversatte artikel. 

Det er ikke et krav, men vi sætter pris på, at du giver os besked, hvis du publicerer vores indhold (undtaget indhold fra The Conversation). Skriv til redaktør Anders Høeg Lammers på ahl@videnskab.dk.

Læs mere om Forskerzonen i Forskerzonens redaktionelle retningslinjer.

Ny video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's videojournalister med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.

Ugens videnskabsbillede

Se flere forskningsfotos på Instagram, og læs om de utrolige billeder af Jupiter her.

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.

Hej! Vi vil gerne fortælle dig lidt om os selv

Nu hvor du er nået helt herned på vores hjemmeside, er det vist på tide, at vi introducerer os.

Vi hedder Videnskab.dk, kom til verden i 2008 og er siden vokset til at blive Danmarks største videnskabsmedie med over en halv million brugere om måneden.

Vores uafhængige redaktion leverer dagligt gratis forskningsnyheder og andet prisvindende indhold, der med solidt afsæt i videnskabens verden forsøger at give dig aha-oplevelser og væbne dig mod misinformation.

Vores journalister fortæller historier om både kultur, astronomi, sundhed, klima, filosofi og al anden god videnskab indimellem - i form af artikler, podcasts, YouTube-videoer og indhold på sociale medier.

Vi stiller meget høje krav til, hvordan vi finder og laver vores historier. Vi har lavet et manifest med gode råd til at finde troværdig information, og vi modtog i 2021 en fornem pris for vores guide til god, kritisk videnskabsjournalistik.

Vores redaktion gør en dyd ud af at få uafhængige forskere til at bedømme betydningen af nye studier, og alle interviewede forskere citat- og faktatjekker vores artikler før publicering.

Hvis du går rundt og undrer dig over stort eller småt, vil vi elske at høre fra dig og forsøge at give dig svar med forskernes hjælp. Send bare dit spørgsmål til vores brevkasse Spørg Videnskaben.

Vi håber, at du vil følge med i forskningens forunderlige opdagelser her på Videnskab.dk.

Få et af vores gratis nyhedsbreve sendt til din indbakke. Du kan også følge os på sociale medier: Facebook, Twitter, Instagram, YouTube eller LinkedIn.

Med venlig hilsen

Videnskab.dk