10 år efter Higgs-partiklen: Vil fundet åbne døren for andre modeller end standardmodellen?

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.

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'.

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.

\ Læs mere

Charmkvark, gluon, myon og tau: Derfor har de allermindste partikler så mærkværdige navne

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.

\ Læs mere

»Kan være hint om ny naturkraft«: Måling af elementarpartikel udfordrer 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.

\ Læs mere

Hvad er elementarpartikler?

\ Læs mere

Fysikere har (måske) løst alletiders tidsrejse-paradoks: ‘Bedstefar-paradokset’

\ Læs mere

Video: Sådan blev Higgs-partiklen fundet