«Gudepartikkelen» higgs er ikke lenger like mystisk

Det er ikke ofte vitenskapen skaper så mye oppstandelse og furore som 4. juli 2012. Partikkelfysikken var «breaking news» på TV og i aviser over hele verden da Rolf Heuer, generaldirektør ved Cern, uttalte:

– Jeg tror vi har den.

Han snakket om det etterlengtede higgsbosonet, det som ble forutsett av blant andre Peter Higgs allerede på 1960-tallet. Den hadde lenge vært en del av Standardmodellen for partikkelfysikk. Standardmodellen omfatter alle elementærpartiklene og kreftene som virker på dem.

I mediene ble den omtalt som gudepartikkelen (The God Particle), og noen var faktisk redde for hva de drev med der nede i bakken på grensen mellom Sveits og Frankrike.

I den 27 kilometer lange tunnelen kolliderer partikler med en fart opp mot lysets hastighet. Da Heuer sa «Jeg tror vi har den», var det fordi to uavhengige eksperimenter, Atlas og CMS, hadde sett det samme på hvert sitt sted der nede på opp mot hundre meters dybde.

Et higgs-lignende boson

For forskerne bak funnet var det veldig viktig at sjefen sa «Jeg tror». Selv uttrykte de seg mer ullent når de publiserte funnene sine, omtrent slik: Vi har med høy signifikans observert et boson som har noen av egenskapene til higgsbosonet.

Hovedpersonen kunne de omtale som «et higgs-lignende boson».

– Jeg følte meg mye trygg, men det var noen som ville være litt forsiktige, sier professor Alex Read ved Universitetet i Oslo.

Han har vært med på higgsjakten helt siden 1990-tallet. I dag, sju år senere, er det ikke lenger noe å lure på.

– Nå er vi blitt veldig godt kjent med higgsbosonet, sier Read til Titan.uio.no.

Det er ikke mange som kjenner higgs bedre enn UiO-professoren. Etter den berømte pressekonferansen 4. juli 2012, var han én av de utvalgte som skulle formulere den vitenskapelige artikkelen, der de på forskerspråk forteller hva de gjort og hva de har observert.

– Jeg ble valgt til å lede en gruppe på sju personer som skulle skrive artikkelen basert på de resultatene som ble presentert fra de utallige arbeidsgruppene ved Atlas, forteller Read.

De fikk snaut fire uker på seg, en uvanlig knapp tidsfrist i vitenskapelig sammenheng.

– Vanligvis bruker vi et halvt år på den prosessen.

De skrev et første utkast som så ble sendt til et redaktørpanel på tre–fire fysikere. Der fikk de innspill til en ny versjon som så ble presentert for hele Atlas-kollaborasjon.

– Da kom det inn 60–70 kommentarer fra enkeltpersoner og fra hele grupper med alt fra små språklige innvendinger til større fysiske spørsmål.

Så var det en ny runde med skriving og redigering, før både redaktører og forskerkollegaer var fornøyde. Fristen rakk de, men kanskje viktigst:

– Vi klarte å levere til tidsskriftet én time før CMS.

Det var det aller første funnet. Siden da har Alex Read og hans forskerkollegaer fortsatt å undersøke higgsbosonet. Partikkelakseleratoren har ikke vært uvirksom i de sju årene som har gått.

Bare én partikkel

Blant annet har de bekreftet at det er én, og bare én partikkel. Det var nemlig en liten usikkerhet i 2012 knyttet til massen til den nye partikkelen.

Både Atlas- og CMS-eksperimentet, som begge måler hva som skjer når partikler kolliderer i den 27 kilometer lange tunnelen under Cern, hadde observert higgs-lignende masser.

– Vi hadde ganske presise målinger av massen til higgsbosonet, men de var litt i uoverensstemmelse med hverandre i de første målingene, sier Read.

Milliarder av kollisjoner senere er denne usikkerheten ryddet av veien.

– Med mer data gikk de to massene sammen. Nå er vi helt sikre på at vi så på én partikkel, én masse, og ikke to partikler med forskjellig fordelingsforhold og forskjellige masser, sier Read.

Henfaller til andre partikler

Når kollisjonene provoserer fram en higgspartikkel, lever den ikke lenge. Den deler seg fort opp i andre og lettere elementærpartikler. Den henfaller, som fysikerne sier.

Standardmodellen for partikkelfysikk forutsier at higgspartikkelen særlig liker å forvandle seg til en bunnkvark og en antibunnkvark.

– Det hadde vi ikke mulighet til å svare på i 2012. Med finpussede analysemetoder og mer og mer data av høy kvalitet, kan vi bekrefte at higgs liker å henfalle til bunnkvark og antibunnkvark, sier Read.

– Det skjer med cirka 65 prosent sannsynlighet.

Ifølge Read er de nå like sikre på akkurat dette som de var på at det var higgsbosonet de observerte i 2012.

En tredje ting Read trekker fram, er noen veldig sjeldne prosesser der higgsbosonet produseres samtidig med en eller to toppkvarker. Nå begynner det å bli så komplisert at man nesten må være partikkelfysiker for å henge med.

– Standardmodellen forutsier hvor mange toppkvarker vi burde se i sammenheng med higgsbosonet. Men dette skjer veldig sjelden, fordi vi må produsere flere tunge objekter samtidig, sier professoren.

Likevel har sju år med eksperimenter gjort susen også her.

– Nå har vi resultater som kobler higgs til toppkvarken i overensstemmelse med modellen, sier Read.

Gir andre partikler masse

Det er vanlig å omtale higgs som det som gir de andre partiklene masse. En annen måte å si det på, er at higgs gir de andre partiklene treghet.

– Massen til higgsbosonet spiller samme rolle som elektrisk ladning gjør for den elektromagnetiske kraften. Hvis du har to ladninger og du øker ladningen, så øker du kraften. Det samme er det med higgs.

– Hvis du har higgs og en annen partikkel, så øker du massen til partikkelen. Higgs reagerer mer og mer med den partikkelen jo mer masse.

I videoen under kan du se hvordan Read forklarer hva higgspartikkelen og higgsfeltet er ved hjelp av en analogi om et rom fullt av journalister:

Håper på spor av ny fysikk

Det som på en måte høres betryggende ut, men som forskerne synes er litt kjedelig, er at alt dette er i overensstemmelse med hvordan Standardmodellen forutsetter at higgsbosonet skal oppføre seg.

– Alt vi har sjekket stemmer, så det virker mindre og mindre sannsynlig at det vil dukke opp et betydelig avvik, sier Read.

Akkurat nå er det stille i pertikkelakseleratoren i Cern, men snart setter den i gang på nytt med enda større kraft. Da håper forskerne at det skal dukke opp et avvik som er stort nok til at det kan gi et hint om hvor de skal lete videre.

Standardmodellen forklarer nemlig ikke alt.

For hva er egentlig gravitasjon? Hvorfor er det mer materie enn antimaterie i universet? Og hva er nå denne mørke materien som ser ut til å utgjøre 85 prosent av all massen i universet?

– Det kan hende at higgs, siden det har noe med masse å gjøre, kan si noe om gravitasjon. Kanskje det finnes utvidelser av standardmodellen der mørk materie beskrives. Kanskje noen helt spesielle egenskaper ved higgs også kan ha noe med materie-antimaterie-asymmetrien å gjøre.

– Men for tiden er dette bare muligheter, sier Read.

For å komme nærmere et svar, må de bli enda bedre kjent med higgsbosonet, det ferskeste medlemmet av elementærpartikkelfamilien.

De første vitenskapelige artiklene om higgs-funnet:

ATLAS Collaboration: Observation of a new particle in the search for the Standard Model Higgs boson with the ATLAS detector at the LHC. Physics Letters B, september 2012.

CMS Collaboration: Observation of a new boson at a mass of 125 GeV with the CMS experiment at the LHC. Physics Letters B, september 2012.