Image
rekke av blå magneter i tunnel.

Partikkelknuseren LHC er oppgradert og starter igjen i sommer. Foto: CERN

Ny start på CERN: – Jeg tror vi finner et higgsboson til

– Sannsynligheten for å finne noe nytt ved LHC er veldig stor, sier professor i fysikk Are Raklev.

Maskinen som fant higgsbosonet i 2012 blir klar for ny sesong i sommer, etter tre og et halvt år med oppgraderinger.

– Jeg tror vi finner et higgsboson til, et som er lettere, nærmere bestemt 96 GeV tungt, sier teoretisk fysiker Are Raklev, som er åpen for veddemål, hvis noen vil vedde imot.

GeV står for giga-elektron-volt og er en praktisk enhet for massen til de ørsmå elementærpartiklene.

Are Raklev er professor ved Fysisk institutt ved UiO, her under et besøk på CERN i 2019. Foto: Yngve Vogt/ Apollon.

Vi kommer tilbake til det nye mulige higgsbosonet, men først en aldri så liten kikk på maskineriet.

Kamera på størrelse med en bygård

Partikkelakseleratoren LHC, large hadron collider, befinner seg i en 27 kilometer lang ringformet tunnel på grensa mellom Sveits og Frankrike, like utenfor Genève.

I tunnelen sirkulerer bittesmå partikler, som oftest protoner, men i noen perioder også blykjerner, i to retninger. Fire steder langs ringen krysses de to partikkelstrålene slik at partiklene kan kollidere.

Utstyret som kan registrere hva som skjer i kollisjonene kalles detektorer. De er på størrelse med en bygård og fungerer litt som et stort og uhyre raskt kamera.

Både akseleratoren og detektorene er oppgradert slik at hastigheten til partiklene er økt litt, fra en kollisjonsenergi på 13 teraelektronvolt til 13,6 teraelektronvolt, TeV. Dermed kan maskinen lage litt tyngre partikler enn før. 

Flere kollisjoner for å finne sjeldenheter

– Men det viktigste er at vi kan få mange flere kollisjoner enn vi har hatt til nå, sier Raklev.

Han forteller at det forskerne har sett etter hittil er de lavthengende fruktene, ting det var lett å sjekke.

– En del av de enkle tingene var ikke der, så nå leter eksperimentene etter vanskeligere saker, sier han.

Og skal du finne vanskelige ting med en partikkelakselerator må du ha en masse data å kamme gjennom.

– Eksperimentene skal både lete etter ting som skjer veldig sjeldent og finmåle på partikler vi allerede kjenner til, sier han.

Undersøker ukjente sider ved higgsbosonet

Partikkelen det knytter seg mest spenning til er det nyeste medlemmet av familien, higgsbosonet.

– Det er mye vi ikke vet om higgsbosonet, og det har en sentral plass i standardmodellen, teorien som beskriver elementærpartiklene og kreftene som virker mellom dem. Det er som en blekksprut som har tentaklene sine overalt blant de andre partiklene, sier Raklev.

Gjennom interaksjon med higgsbosonet får de andre elementærpartiklene masse. Eller var det ikke så enkelt?

Når higgsbosoner lages i partikkelkollisjonene på CERN eksisterer de bare en brøkdel av et øyeblikk før de omdannes til andre partikler. Prosessen skjer så raskt at vi ikke kan se higgsbosonet direkte, vi ser bare partiklene det omdannes til.

Elementærpartikler deler seg grovt sett i to typer: Materiepartikler, bittesmå byggeklosser som elektroner og kvarkene inne i atomkjernen; og kraftpartikler, som fotonet, som formidler den elektromagnetiske kraften.

Partiklene i standardmodellen. (Gravitonet er hypotetisk.) Illustrasjon: André-Pierre Olivier via CERN.

Som om ikke det skulle være nok finnes det tre utgaver av hver av materiepartiklene. Elektronet har for eksempel to tyngre versjoner, myon og tau. Hvorfor det finnes akkurat tre utgaver og hvorfor de er så tunge er fremdeles ikke kjent.

– Vi har bare sett hvordan higgsbosonet omdannes til kraftpartikler og de tyngste materiepartiklene. Det høres kanskje ut som en kuriositet for partikkelfysikere, men det er viktig for å si om higgsbosonet faktisk gir masse til de lette materiepartiklene. Det er et åpent spørsmål, sier Raklev.

Om higgsbosonet gir masse til de lette partiklene kan vi finne ut ved å se at det omdannes til disse partiklene. Higgspartikler som blir til to tau-partikler er allerede observert i LHC-eksperimenter.

– Omdanning av higgs til myoner kan vi se med mer data på LHC, men ikke til elektroner. Jo lettere partikler, jo mindre interagerer de og da skjer det sjeldnere, forklarer Raklev.

Vitenskapens nest største avvik mellom teori og eksperiment

Higgsbosonet gjemmer også en rekke andre mysterier. Det aller største er kanskje hvorfor higgspartikkelen er så lett.

– Massen til higgspartikkelen burde vært 16 størrelsesordener større. Vi forstår ikke hvorfor den er så lett, sier Raklev.

Dette var grunnen til at en del fysikere ikke trodde det var mulig å finne higgsbosonet på LHC. Stephen Hawking var en av dem. Han tapte 100 dollar i et veddemål.

– Forutsigelsen av higgsmassen er vitenskapens nest største avvik mellom teori og måling. Det største var den kosmologiske konstanten, hvor det skiller 30 størrelsesordener, sier Raklev.

Lovende sprekker i teorien

Partikkelforskerne holder seg med en bunnsolid teori, som gang på gang forutsier resultater av eksperimenter med nærmest forbløffende nøyaktighet. Likevel er forskernes største ønske å finne hull i teorien med det noe fantasiløse navnet standardmodellen.

Elementærpartiklene og kreftene som virker mellom dem. Standardmodellen håndskrevet av Maria V. Bøe.

Forskerne har allerede sett flere tegn på sprekker i teorien. I april i år publiserte Fermilab i USA en ny og svært nøyaktig måling av massen til W-bosonet, en av to partikler som styrer fusjon av atomkjerner, radioaktivitet og får sola til å skinne.

I den nye målingen er W-bosonet litt for tungt til at det stemmer med teorien.

– Hvis W virkelig er tyngre må det foregå noe som bryter med standardmodellen, selv om vi ikke helt vet hva, sier Raklev.

Ett år før hadde et annet eksperiment ved Fermilab vist at myonet ikke snurret helt som teorien forutsa.

Mørk materie har kanskje skylda

Det finnes en sammenheng mellom myonenes snurring og en mulig tyngre W enn forutsatt. Samme fenomen – de samme typene partikler – kan forårsake begge deler.

– En mulig kandidat er supersymmetri. Det er det alltid! Det er en av fordelene med supersymmetri, sier Raklev, kjent som svoren tilhenger.

Supersymmetri er en sekkebetegnelse på en rekke teorier hvor alle elementærpartiklene vi kjenner har en hittil uoppdaget partner; materiepartiklene har en kraftpartikkelbror og kraftpartiklene har en materiesøster. Slike modeller kan forklare mange nåværende problemer i teoretisk fysikk, blant annet hva mørk materie er.

Et ekstra, lett higgsboson

– Det kan også hende det finnes et ekstra lett higgsboson som vi ikke har funnet ennå, som påvirker både massen til W-bosonet og snurringa til myonet, sier Raklev.

– Jeg tror det finnes et higgsboson til, et litt lettere et på 96 GeV. I løpet av 2-3 år vil vi få testet om det finnes, sier han.

Han henter ikke ideen fra løse lufta, det finnes noen uforklarte resultater allerede. 

Fra den forrige store akseleratoren på CERN fantes det et overskudd av kollisjoner med to B-kvarker. Dessuten slapp CMS-eksperimentet nylig en analyse hvor de lette etter higgsbosoner som blir til to fotoner. De ser også en hump ved 96 GeV.

– Hver for seg ikke så store humper, men sett i sammenheng kan et slikt higgsboson forklare begge humpene og også hjelpe oss å forklare W-massen og myonsnurringen, sier Raklev.

Unyttig kunnskap kan også være lønnsom

– Kan vi bruke denne kunnskapen til noe?

– Ikke direkte, men den gir oss et mer komplett bilde av universet. Og på veien blir det utviklet nyttig teknologi. For tida er det mest aktuelle å utvikle nye maskinlæringsteknikker som tas i bruk andre steder, sier Raklev.

– Studentene våre tar med seg kunnskapen og går videre i forskning og industri og gjør nyttige ting, sier han og viser til en analyse gjort av økonomer fra blant annet Universitetet i Milano.

– Økonomene regnet på konsekvensene av å bygge LHC og fant et stort samfunnsøkonomisk overskudd, påpeker han.

Er det mer å finne?

Noen skeptikere har uttrykt en viss frykt for at det ikke skal finnes noe mer i naturen som er innenfor rekkevidden til LHC, at uoppdagede partikler og mekanismer skal foregå ved mye høyere energier enn de som kan oppnås ved partikkelakseleratorer.

Denne “energiørkenen” er ikke Raklev så bekymret for. Det må være noe mer å finne på lave energier, tror han.

– For det første at higgspartikkelen er så lett. Det er ikke løsbart uten at det finnes noe på lav energiskala som forklarer det. Dernest mørk materie, det er vanskelig å forestille seg at den er veldig mye tyngre enn det vi har tilgang til på LHC. Dessuten har vi materie-antimaterie-problemet; hvis big bang produserte materie og antimaterie i like store mengder og materie og antimaterie utsletter hverandre, hvordan kan det ha seg at en liten del av materien overlevde og skapte dagens univers?

– Det er vanskelig, selv om det ikke er helt umulig, å tenke seg at det ikke finnes noe mer på lav energi. Sannsynligheten for å oppdage noe er veldig stor, mener han.

Lyst til å få et bedre grep om partikler, materie og krefter? Se denne presentasjonen av standardmodellen laget av Quanta Magazine: