Den er god nok: Higgs giver alting masse
Teorien siger, at det er Higgs-feltets fortjeneste, at elementarpartiklerne har masse - at ting vejer noget. Men det er faktisk først nu, at forskerne er klar med et solidt, eksperimentelt bevis: Higgs-partiklen henfalder til tau-partikler.

I ATLAS-detektoren kolliderer protoner med så stor energi, at der ind imellem opstår en Higgs-partikel, og det sker, at den henfalder til to tau-partikler. Illustrationen viser sådan et henfald. (Ill.: CERN)

Fysikerne er ved at have styr på, hvorfor stof har masse - hvorfor ting vejer noget. De er efterhånden ganske sikre på, at det skyldes et særligt felt, der gennemsyrer universet, nemlig det såkaldte Higgs-felt.

Til Higgs-feltet hører en elementarpartikel, hvis eksistens blev forudsagt af den engelske fysiker Peter Higgs i starten af 1960'erne. Hvis feltet eksisterer, manifesterer det sig som den partikel, der nu kaldes Higgs-partiklen.

Den 4. juli 2012 blev denne partikel fundet af forskerne ved den enorme partikelaccelerator LHC ved det europæiske forskningscenter CERN i Schweiz, men faktisk er det først nu, at fysikerne kan præsentere et overbevisende bevis for, at der er en sammenhæng mellem Higgs-partiklen og stoffets masse.

»Først nu har vi observeret sikre tegn på, at Higgs-feltet giver masse til stoffets partikler. Vi har nemlig set, at Higgs-partiklen kan henfalde til tau-partikler,« fortæller Stefania Xella, der er lektor på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet. Hun er en af de mange forskere, der har arbejdet hårdt på at analysere data fra LHC-detektoren ATLAS.

Higgs'en henfalder til stofpartikler

Selve Higgs-partiklen, som giver masse til alle andre partikler, kan forskeren ikke detektere direkte, for den henfalder ekstremt hurtigt. Men de kan se de partikler, som den henfalder til. Det er præcis det, som ATLAS-detektoren er designet til - den skal registrere de forskellige andre partikler, som stammer fra henfaldet af en Higgs-partikel.

Fysikerne deler elementarpartikler op i to kategorier, nemlig stofpartikler (fermioner) og kraftpartikler (bosoner). Før det nye resultat havde forskerne kun set Higgs'en henfalde til de kraftbærende partikler. Den er enten blevet til fotoner, der bærer den elektromagnetiske kraft, eller til Z- eller W-bosoner, der bærer den svage kernekraft.

Fakta

Peter Higgs og François Englert fik Nobelprisen i fysik i 2013 for udviklingen af en teori, der forklarer, hvorfor de fleste elementarpartikler har masse. Teorien blev bekræftet ved fundet af Higgs-partiklen sidste år.

Der har altså manglet noget, nemlig henfald til de partikler, som stoffet består af. Alt, vi ser omkring os, består af kvarker og elektroner, og hvis det er Higgs-feltet, som giver disse partikler masse, så må Higgs-partiklen også kunne henfalde til dem.

Elektronens fede fætter

Nu har forskerne fra Niels Bohr Institutet og andre universiteter verden over vist, at Higgs'en også en sjælden gang imellem henfalder til to tau-partikler.

Den sammenhæng mellem Higgs-partiklen og stof-partikler er det hidtil bedste bevis for, at det er Higgs-feltet, der giver alting masse.

Tau-partiklen er elektronens fede fætter. Den opfører sig som elektronen, men er langt tungere. Når Higgs'en beviseligt giver masse til tau-partiklen, giver den højst sandsynligt også masse til de andre stof-partikler, herunder kvarkerne og elektronerne.

Analysen har taget lang tid

Det sker ikke så tit, at Higgs-partiklen henfalder til to tau-partikler, så derfor har det taget lang tid for forskerne at grave de rigtige informationer frem fra de enorme mængder af data, som ATLAS har produceret.

»Vi har samlet data siden 2009. En håndfuld mennesker på Niels Bohr Institutet og omkring 80 andre forskere fra andre lande har arbejdet på at finde ud af, om Higgs-partiklerne henfalder til tau-partikler. Nu kan vi sige med meget stor sikkerhed, at det er tilfældet,« siger Stefania Xella.

Fakta

Feltet er overalt
Det er Higgs-feltet og ikke Higgs-partiklen, der giver alting masse. Higgs-feltet er overalt i universet som en allestedsnærværende, usynlig energi. Higgs-partiklen kan forstås som en krusning i Higgs-feltet. Under særlige omstændigheder, for eksempel når to hurtige protoner smadrer mod hinanden, som det sker i LHC-acceleratoren, kan Higgs-partiklen opstå som en manifestation af Higgs-feltet. Det svarer til, at en foton er en manifestation af et elektromagnetisk felt.

»Analysen af de mange data har været meget kompliceret. LHC lukkede ned for et år siden, og siden da har vi regnet på tallene. I det seneste halve år har vi dobbelttjekket vores resultater for at være helt sikre på, at Higgs'en kan blive til tau-partikler.«

Higgs-feltet bremser partiklerne ned

»Det bedste ville være, hvis vi kunne vise, at Higgs'en henfalder til elektroner og de kvarker, som almindeligt stof består af. Men de partikler er ret lette, og henfaldet til dem sker uhyre sjældent.«

»Nu har vi set, at Higgs-partiklen kan henfalde til tungere stof-partikler, og så regner vi med, at den også kan henfalde til de lettere elementarpartikler, vi ser omkring os.«

»Mønsteret passer. Higgs'en opfører sig, som vi forventer ud fra vores teorier. Og Higgs-feltet kan forklare, hvorfor de fleste partikler har masse, så de ikke alle sammen farer af sted med lysets hastighed,« slutter Stefania Xella.

Nu glæder hun og de andre partikelfysikere sig til, at LHC starter op igen i 2015, hvor den så er blevet opgraderet. Til den tid vil acceleratoren kunne levere mange flere data, som gør os klogere på, hvordan naturen er skruet sammen.

Higgs-feltet bremser de tunge mest

Hvis partikler ikke havde masse, ville de altid bevæge sig med lysets hastighed, ligesom fotoner gør det. Så ville universet være et kaos af partikler, der alle farede rundt med lysets hastighed. Elementarpartikler ville ikke kunne slå sig sammen til atomer, og intet af det stof, vi ser omkring os, ville eksistere. Livet ville aldrig opstå.

Men heldigvis kom Higgs-feltet på banen en brøkdel af et sekund efter Big Bang. Higgs-feltet virker som en slags kosmisk sirup, som alle partikler med masse hænger mere eller mindre fast i.

Nogle partikler påvirkes ikke ret meget af Higgs-feltet, så de er nemme at flytte på, hvilket er ensbetydende med, at de er lette. Omvendt med de partikler, som hænger godt fast i Higgs-siruppen og er svære at bevæge - de er tunge.

Man kan også forstå Higgs-feltet som en sal fuld af mennesker, for eksempel før premieren på en ny action-film. Når en superstjerne som Justin Timberlake forsøger at komme til den anden ende af lokalet, er det meget svært for ham, for mange mennesker stopper ham for at få en snak, en autograf eller et billede. Det svarer til, at Higgs-feltet vekselvirker kraftigt med de partikler, vi oplever som tunge. Eksempelvis en tau-partikel.

Hvis en afdanket reality-stjerne som Sidney Lee går igennem menneskemængden, er der knap så mange, der hindrer ham i det. Enkelte vil måske gerne sige hej til manden, så han bliver bremset en smule. Her er påvirkningen fra Higgs-feltet ikke så stor - partiklen er let, som en elektron.

Tjeneren, der bare vil tilbage til køkkenet med tomme vinglas, kan gå uhindret igennem mængden. Han svarer til den masseløse foton, der ikke vekselvirker med Higgs-feltet og derfor hele tiden har fuld fart på.

Videnskab.dk Podcast

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




Det sker