Annons
X
Annons
X

Med Higgs mot materiens innersta

I 100 år har forskarna försökt att lösa pusslet med materiens minsta beståndsdelar. Nu har den sista biten fallit på plats – Higgs-partikeln.

(uppdaterad)
Standardmodellen. 
ILLUSTRATION: THOMAS MOLÉN
Standardmodellen. ILLUSTRATION: THOMAS MOLÉN

När François Englert och Peter Higgs på tisdag får ta emot årets Nobelpris i fysik belönas en upptäckt av historiska dimensioner. Englert och Higgs föreslog 1964, oberoende av varandra, en speciell partikel att höra ihop med de andra fundamentala beståndsdelarna som materien består av, Higgs-partikeln. Bland annat kan den förklara hur andra partiklar får massa. När denna partikel för ett drygt år sedan påvisades vid Cernlaboratoriet utanför Genève, innebar detta att en omistlig pusselbit kommit på plats i vår förståelse för hur materien är uppbyggd ned till närmast ofattbart små delar.

Utan att förringa de två Nobelpristagarnas insatser så menar jag att det banbrytande i upptäckten främst består i att den slutgiltigt bekräftar den teori för atomens innersta som fysikerna kallar standardmodellen. Denna har successivt utvecklats under 1900-talet av en rad forskare vars bidrag också belönats med Nobelpris. Hela denna tankebyggnad är en enastående triumf för människans förmåga att förstå naturen.

Vad innebär då standardmodellen? Låt mig börja 100 år tillbaka i tiden. Man visste då att all materia består av atomer. Men det var den unge dansken Niels Bohr som 1913 kunde formulera en fungerande om än primitiv modell för atomen. Han utgick från vad Ernest Rutherford och dennes medhjälpare funnit experimentellt. Bohr-Rutherfords atommodell säger att det i atomens mitt finns en kärna och att den omges av elektroner i vissa bestämda banor.

Annons
X

Bohr var själv medveten om att det behövdes ny fysik för att en sådan atommodell skulle bli fullständig, nya verktyg i den verktygslåda av naturlagar som den teoretiska fysiken använder i sin beskrivning av naturen. Dessa verktyg kom i mitten av 1920-talet i form av kvantmekaniken, en omvälvande men oerhört framgångsrik teori för alla fenomen på atomär och subatomär nivå.

Det som jag kallar den teoretiska fysikens verktygslåda kan man föreställa sig uppdelad i flera fack, som hela tiden samverkar med varandra. Ett av facken innehåller beståndsdelar. För Bohr och hans samtida låg atomkärnan och elektronerna i det facket. I ett andra fack finns de krafter som verkar mellan beståndsdelarna. För elektronerna i atomen är det fråga om elektromagnetismen, alltså samspelande elektriska och magnetiska krafter. I ett tredje fack finns spelreglerna, det vill säga de naturlagar som talar om vilka regler som gäller för krafternas påverkan på beståndsdelarna. Det är här kvantmekanikens lagar har sin plats.

I denna bild kan man förstå utvecklingen under 1900-talet av den del av fysiken som försöker förstå allt mindre och mindre delar.

Sedan atomens struktur kartlagts gällde det att komma underfund med atomkärnan. Den är hundratusen gånger mindre än atomen. För att på allvar komma åt hur den ser ut behövde man acceleratorer, där atomkärnor accelereras till mycket höga hastigheter för att sedan krocka med andra atomkärnor. Spillrorna av dessa kollisioner registreras i det fysikerna kallar detektorer. Genom att sedan lägga pussel med vad de iakttar i detektorerna kan forskarna dra slutsatser om vad som skett i själva kollisionen. Att göra så har liknats vid det jobb en detektiv utför när hon, utifrån vad hon kan finna på en brottsplats, drar slutsatser om brottet och gärningsmannen.

Förfarandet med att kollidera partiklar med varandra har för övrigt utvecklats oerhört under 1900-talet. Acceleratorerna har blivit allt större och allt kraftfullare. Det är vid den största accelerator som hittills byggts, LHC vid Cern, som man så framgångsrikt har kunnat påvisa Higgs-partikeln. Men så är LHC också ett tekniskt underverk med supraledande magneter i en cirkelformad tunnel, 27 kilometer i omkrets, och med detektorer stora som femvåningshus placerade på några strategiska platser i tunneln.

Åter till atomkärnan. Man fann att den består av två slags partiklar, protoner och neutroner. De placeras naturligen i verktygslådans fack för beståndsdelar. I facket med spelregler gäller fortfarande kvantmekaniken i huvudsak oförändrad. Men i kraftfacket behövs vid sidan av den elektromagnetiska kraften två nya krafter, den starka kärnkraften som binder ihop protoner och neutroner till en kärna, och den svaga kärnkraften som bland annat ger upphov till vissa atomkärnors sönderfall.

Finns det då beståndsdelar i protoner och neutroner och elektroner? Experiment vid allt mer tekniskt avancerade acceleratorer och dito detektorer ger ett otvetydigt svar: protoner och neutroner består i sin tur av ännu mera fundamentala byggstenar, av kvarkar och gluoner. Elektronerna däremot verkar sakna inre struktur. I gengäld upptäcktes ett antal med elektronen besläktade partiklar, bland dem de svårfångade neutrinerna. De bildar tillsammans familjen leptoner. Alla dessa beskrivs väl av partikelfysikens standardmodell.

Det är här som Higgs-partikeln har sin givna plats. Men för att förstå hur måste vi ta en ordentlig titt i fysikernas verktygslåda, för den behöver nu kompletteras rejält.

Ta kraftfacket först. Där finns som förut den elektromagnetiska kraften. Där finns också de två kärnkrafterna, den svaga och den starka, fast i en liten annan tappning genom att de i första hand verkar mellan kvarkar och leptoner. I sin nya skepnad beskriver således den svaga kraften hur kvarkar kan omvandlas i varandra och varför neutrinerna växelverkar så svagt med alla andra partiklar. Den svaga och den elektromagnetiska kraften visar sig för övrigt höra så nära ihop att de kan uppfattas som en enda kraft, den elektrosvaga kraften. Den starka kraften står i sin nya roll för samspelet mellan kvarkar och gluoner, exempelvis för hur kvarkarna håller ihop i en proton.

Egentligen borde ytterligare en kraft, tyngdkraften, räknas in i kraftfacket. Den har dock sina speciella egenheter – inte minst är den så svag att den inte är märkbar i de partikelfysikexperiment som hittills kunnat göras – att man i de sammanhang det här är fråga om kan lämna den utanför.

I facket för beståndsdelar finns det sex kvarkar, åtta gluoner och sex leptoner; en av leptonerna är elektronen. Där finns också fyra stycken så kallade förmedlarpartiklar; en av dem är ljuskvantat, fotonen, de tre andra har med den svaga kraften att göra. Och så finns den sista tillkomna, Higgs-partikeln.

För att förstå hur beståndsdelarna förhåller sig till varandra måste vi inventera det tredje facket i verktygslådan, spelreglerna. För det är här de verkliga nyheterna med denna nivå i atomens innersta uppträder. Det är här Higgs-partikeln får sin motivering.

Kvantmekaniken är fortfarande grundverktyget i regelfacket. Men den har nu utökats till kvantfältteori, det vill säga kvantmekanik för fält. Ett fält är för en fysiker något som beskriver vad som finns i olika punkter i rummet. Temperaturen i lufthavet runt jorden är exempel på ett sådant fält, likaså luftens hastighet där. Unikt för ett kvantfält är att det också beskriver partiklar. Lite grovt uttryckt kan partiklar förstås som krusningar eller energihopklumpningar i fältet. Varje fundamental partikel, varje kvark, varje lepton, har sitt eget kvantfält. I bilden med en verktygslåda av naturlagar kan kvantfältet därför lika gärna placeras i facket med beståndsdelar som i regelfacket: ett kvantfält svarar entydigt mot en partikel och omvänt.

Varje kraft har också sitt kvantfält. Motsvarande partiklar kallas förmedlarpartiklar: den starka kraftens förmedlarpartiklar är gluonerna, elektromagnetismens förmedlarpartikel är fotonen och den svaga kraftens kallas W- och Z-partiklarna. Så skillnaden mellan kraftfacket och beståndsdelsfacket i verktygslådan blir också den allt otydligare.

Nu finns det regler och principer också för kvantfälten. En sådan princip har att göra med symmetrier. En symmetri för ett system innebär att systemet ter sig likadant även om man ändrar på det på något sätt: en ring ser likadan ut om den vrids kring sitt centrum, en snöflinga kan se likadan ut från olika vinklar. För kvantfälten är det fråga om hur krafterna förblir de samma även om kvantfälten ändras eller byts mot varandra enligt vissa regler. Ett exempel på en sådan ändring kallas gauge-transformation och hör nära ihop med hur förmedlarpartiklarnas fält ändras. Det visar sig vara en tvingande symmetri utan vilken det inte är möjligt att ha några förmedlarpartiklar.

Men – och det är ett stort men – man kan ha en sådan gaugesymmetri bara om motsvarande förmedlarpartiklar har massan noll. En förmedlarpartikel som uppfyller detta krav är fotonen. Så elektromagnetismen är vackert gaugesymmetrisk. Men förmedlarpartiklarna för den svaga kraften är ordentligt tunga med partikelfysiken mått mätt, nästan hundra gånger tyngre än en proton. Det hela går helt enkelt inte ihop!

Där stod man när Englert och Higgs – även andra fysiker var inblandade – kom med sitt förslag: Om man inför ett nytt kvantfält, ett Higgs-fält, kan det på ett närmast mirakulöst sätt uppfylla kravet på
både gaugesymmetri
och tunga förmedlarpartiklar. Andra forskare kunde sedan visa hur denna idé passade med egenskaperna hos den elektrosvaga kraften att ha
både en förmedlarpartikel utan massa, fotonen,
och W- och Z-partiklar med massa, vars värde till och med kunde förutsägas utifrån teorin. Att detta Higgs-fält dessutom kan ge massa åt kvarkarna och leptonerna är ytterligare bonus.

Däremot, det måste framhållas, kommer massan hos en proton (eller neutron, och därmed en atom och all sammansatt materia)
inte från Higgs-fältet: protonens kvarkar väger tillsammans bara någon procent av vad hela protonen väger. Det är i stället rörelseenergin hos kvarkarna och gluonerna inuti protonen som ger den dess massa.

Så då återstod det ”bara” att påvisa Higgs-fältets partikel, Higgs-partikeln. En av svårigheterna var att man inte hade en aning om hur tung den själv var: den kan
inte förklara sin egen massa. Så man visste inte riktigt var man skulle finna den. Efter många försök kom dock genombrottet den 4 juli 2012, då två forskargrupper på Cern offentliggjorde resultat som visade på en partikel, dryg 130 gånger så tung som en proton, som uppfyllde alla krav på att vara Higgs-partikeln. Ytterligare analyser har bara stärkt forskarna i den uppfattningen. Den sista pusselbiten i partikelfysikens standardmodell var på plats.

Hade Niels Bohr levat skulle han säkert ha glatt sig åt att det verk han påbörjade för ett sekel sedan har nått så långt. Då är väl forskarna nöjda nu? Knappast! För när man löser ett problem så ger det upphov till nya. Var kommer Higgs-partikelns egen massa ifrån? Varför finns det just sex kvarkar, just sex leptoner? Och, om vi lyfter blicken mot kosmos, varifrån kommer den så kallade mörka materien? Det finns fullt upp att göra inom fysiken också framöver.

Bengt E Y Svensson

Annons
Annons
X

Standardmodellen. ILLUSTRATION: THOMAS MOLÉN

Bild 1 av 1
Annons
X
Annons
X