To lysglimt – kan gi nytt verdensbilde

Dagens fysiske verdensbilde har stått som en bauta i 40 år. Hva gjør man når det er mulig å forklare (nesten) alle målinger som foretas? – Man henger seg opp i den lille tua som kan velte hele lasset.

Boson: Kraftbærende partikkel
Partikkel: Naturens minste byggestein. Antas å ikke ha romlig utstrekning.
Proton og nøytron: Partikler som utgjør atomkjernene. Protonene er positivt ladet, mens nøytronene er nøytrale.

Dagens fysiske verdensbilde – standardmodellen for partikkelfysikk – ble skapt for snart 40 år siden. Den er en samling av all kjent fysikk, og beskriver byggesteinene i naturen og hvordan de snakker sammen. Standardmodellen står som en bauta, og uten avvikende målinger er det vanskelig å se hvor man skal gå videre. Vil dagens verdensbilde være gyldig også i morgen? Fysikere foretar nå målinger som kan vise seg å være kritiske for standardmodellen.

Det for noen mystiske Higgs-bosonet spiller en viktig rolle i denne sammenhengen. Higgs-bosonet er nemlig den siste manglende puslespillbrikken i standardmodellen. Det sies at det kjedeligste som kan skje, er at vi finner Higgs-bosonet, og at det ser akkurat ut som standardmodellen forteller oss. Da har vi kun funnet ut at verden er slik som vi trodde den var. Om det derimot ser helt annerledes ut, eller om vi ikke finner det i det hele tatt, da har vi plutselig et nytt mysterium å løse. Standardmodellen er nemlig helt avhengig av jobben Higgs-bosonet gjør.

Higgs-bosonet kan komme i mange former og antall, og dersom vi oppdager det kan vi måle akkurat hvordan det ser ut. Med de målingene kan vi også si noe om det underliggende verdensbildet: Beskriver standardmodellen fortsatt naturen, eller må vi se oss om etter andre muligheter? Svaret blir dessverre at vi må vente litt til.

Higgs-bosonet

Higgs-bosonet er beskrevet mange steder, og dets formål kan kokes ned til å gi masse til de andre byggesteinene, eller partiklene. Den ble forslått på 60-tallet, men er ennå ikke offisielt oppdaget. Jeg sier offisielt, for vi har sett antydninger til Higgs-bosonet ved den store partikkelakseleratoren Large Hadron Collider (LHC) ved det europeiske laboratoriet CERN i Sveits og Frankrike.

I oppgaven min har jeg brukt disse resultatene. Jeg har sett på hvordan standardmodellen, samt noen andre konkurrerende verdensbilder, kan beskrive dem. Jeg stilte innledningsvis et spørsmål: Kan man ut i fra målingene skille et Higgs-boson som hører til standardmodellen fra et som hører til et annet verdensbilde? Det er fullt mulig! Først må jeg gå litt nærmere inn på noen begreper.

Det første av disse er henfall, som er en kvantemekanisk effekt. Higgs-bosoner kan dannes når to partikler kolliderer med nok energi. De nyfødte Higgs-bosonene vil kun eksistere i en svært kort tidsperiode, før de forsvinner igjen, og går over i nye former. Dette kan være to lysglimt, eller det kan observeres som en sverm av nye partikler. En slik prosess kalles for henfall, og sannsynligheten for hva som kommer ut av et slikt fyrverkeri er tett koblet til hvilket type Higgs-boson man har.

Etter et slikt henfall, er det opp til fysikerne å finne ut hva som har skjedd. Svære detektorer som er plassert rett utenfor kollisjonsområdet har hver sin lille oppgave: Én del kan se etter lysglimt, mens en annen er flink på protoner og nøytroner. Om man setter sammen informasjonen etter hver kollisjon, kan man føre statistikk over nettopp hvor ofte to lysglimt er resultatet.

Slike detektorer er bygget opp som russiske matrjosjka-dukker: En partikkel som flyr i en rett linje ut fra kollisjonsområdet, vil møte lag etter lag med materiale, hvor den brytes ned i en såkalt partikkeldusj. En partikkeldusj kan oppstå når et lysglimt deles opp i to elektroner, som hver sender ut lysglimt. Denne prosessen gjentas til all energien er brukt opp. Man kan se hvor mye energi den orginale partikkelen hadde, og hvor den kom fra, ved å telle hvor mange lysglimt og elektroner som ble dannet.

En komplikasjon er at det ikke kun er Higgs-bosonet som kan henfalle til slike lysglimt, og at det ikke kun er Higgs-bosoner som dannes i partikkelkollisjoner. Heldigvis vet man ganske godt hva som skjer i slike prosesser. Alle lysglimt som ikke kommer fra Higgs-bosonet blir kalt for bakgrunnsprosesser. Kjenner man til dem, kan man sammenlikne det man forventer skal skje med hva som faktisk skjer.

Alternative verdensbilder

Jeg nevnte innledningsvis at standardmodellen er vårt dagens fysiske verdensbilde, og at man ved hjelp av den kan regne ut (nesten) alle observerte prosesser. Den har imidlertid flere teoretiske problemer, samt at det finnes enkelte målinger vi ikke kan forklare. Her er en kort liste over noen av problemene:

  • Tyngdekraften er ikke beskrevet i standardmodellen
  • Massen til Higgs-bosonet er svært avhengig av hvilke andre partikler vi betrakter, og dersom vi lar teorien stå, har vi vært veldig “heldige” i form av at Higgs-bosonet har de egenskapene den har
  • Mørk materie: Alle galakser er proppfulle av noe vi ikke kan se, som ikke har noen forklaring i standardmodellen
  • Hvorfor parametrene til standardmodellen har de verdiene de har. Med parametre mener jeg f.eks. ladningen til elektronet og lyshastigheten

Alternative verdensbilder løser flere av disse problemene. Generelt sett vil slike verdensbilder beskrive et nytt sett med partikler, som vil snakke sammen på en annen måte enn i standardmodellen. Ett av nøkkelpunktene er at nye fenomener kun skjer på svært små målestokker og tidsrom, og når man går tilbake til “hverdagslige” størrelser vil vi sitte igjen med noe som likner på standardmodellen – som fungerer utmerket her.

Teorier basert på supersymmetri har en partikkel som kan være det mørke materiet, og stabiliserer massen til Higgs-bosonet. Det er et slikt verdensbilde jeg har studert nærmere i min masteroppgave: Den “fenomenologiske minimale supersymmetriske utvidelsen til standardmodellen” (pMSSM på kortform). Med fem Higgs-bosoner og nye partikler i flust, burde det være en lett sak å bekrefte om dette er en korrekt beskrivelse av naturen eller ikke.

Dessverre kan de nye partiklene gjemme seg i detektoren:

  • Ved å være svært tunge; og da trenger man mer energi enn det vi har tilgjengelig for å produsere dem
  • Ved å ha en lav kollisjonssannsynlighet; og de flyr usett forbi detektorene

I oppgaven min har jeg antatt at vi allerede har funnet Higgs-bosonet, og at det er ett av de fem i pMSSM. Hovedoppgaven min har vært å regne ut de interessante størrelsene: Hvor raskt Higgs-bosonet henfaller og med hvilken sannsynlighet det henfaller til de forskjellige partiklene. Det er for eksempel mye større sannsynlighet for et henfall til to tunge partikler enn til to lette.

Vi kaster ut alle modellene vi burde ha observert. Modeller hvor elektronet får en søster hadde revolusjonert kjemien, og er et eksempel på en forkastet modell. Alle de gjenstående modellene er mulige verdensbilder, men vi klarer ikke å gjenskape et Higgs-boson som er helt likt standardmodellens! Målingene fra CERN er fortsatt veldig uskarpe. Hvor raskt Higgs-bosonet henfaller, og hva det henfaller til, har rom både for standardmodellen og pMSSM.

Nye målinger i juli

Konklusjonen er at vi må vente litt til slik at målingene fra CERN blir finere. Allerede i juli samles rundt 1000 fysikere i Australia for å diskutere og presentere de nyeste målingene, og det er flere som forventer store ting der. Finner de Higgs-bosonet? Er det kompatibelt med vårt verdensbilde? Verden venter i spenning.

  • http://studionetting.no Anne Aaby

    Veldig spennende dette her! Mange som venter i spenning, ja :) http://www.bbc.co.uk/news/science-environment-18521327

  • http://masterbloggen.no Anne Aaby

    Hei Helge!

    Nå skrives det mye og hintes i øst og vest om at spennende ting er i vente!

    Jeg fant to litt morsomme publiseringer i dag om Higgs. Den ene var en veldig kul tegnefilm http://apod.nasa.gov/apod/ap120501.html og den andre et hjertesukk fra io9 om at folk for guds skyld må stoppe å kalle Higgs bosonet for “God Particle”.

    Vittig. Men jeg lurer på om du kan fortelle litt om det som skjer nå?

  • http://masterbloggen.no Anne Aaby

    Her var lenken til io9 artikkelen http://bit.ly/NuDWU2

  • http://tubablag.blogspot.com Helge Pettersen

    Hei!

    Den tegnefilmen fra PhD comics er en utrolig god forklaring, og jeg har (nesten) ingen innvendinger til hva som blir sagt der!

    Ryktebørsen er i fyr og flamme, og mange skriker offisiell oppdagelse. Vi må nesten vente til i morgen for å se hva som faktisk har blitt funnet. Likevel er konsensus at “vi har funnet noe som ser ut som Higgs”, og vi er spente på å se om den er konsistent med Standardmodellen eller noe alternativt.

    Uansett: Morgendagen (og året generelt, om det ikke blir offisielt funn) kommer til å være svært viktig i fysikkhistorien! Vi har ikke funnet noen “ny” elementærpartikkel siden 1995, og da var det i større grad forventet.

    For de interesserte, skal Lillian Smestad fra bloggen Higgsjegerne (http://publisering.forskning.no/blog/higgsjegerne) kommentere live fra seminaret i morgen, kl 0900 på P2s program EKKO. Jeg oppfordrer alle til å stikke innom radioen da!

  • http://studionetting.no Anne Aaby

    Takk for svar og gode tips!

  • http://masterbloggen.no Anne Aaby

    Jeg følger opp jeg, Helge. Higgs Bosonet er fumnnet. Betyr det at vi har mindre eller mer tillit til standardmodellen? http://www.theverge.com/2012/7/4/3136527/higgs-boson-discovery-cern-announcement

  • http://tubablag.blogspot.com Helge Pettersen

    Det betyr at vi har mer tillit!
    Vi har bekreftet at standardmodellen “henger sammen i sømmene”, og kan puste lettet ut (eller omvendt, for de som vil lage nye løsninger). Mange spørsmål fra de siste femti årene i fysikk har blitt besvart!

    Men: Vi ser for mange henfall til to lysglimt, nesten dobbelt så mange som standardmodellen forteller oss. Teknisk sett er vi rundt to og et halvt standardavvik fra standardmodellen.

    Som P. Gibbs skriver i http://blog.vixra.org/2012/07/04/congratulations-its-a-boson/, er en naturlig løsning å trylle fram enda flere partikler. Kanskje problemet forsvinner med mer data og bedre analyser, men hvem vet? Vi er inne i en veldig spennende periode!

  • Pingback: Mellom nøytronstjerner og svarte hull | Masterbloggen