"Higgs" funnet - men hva betyr det?

Jakten på Higgspartikkelen har pågått siden midten av forrige århundre. Ingen har sett den. Ikke før nå.

Kanskje en Higgs: En partikkel blir til to lyspartikler (de grønne strekene.) Foto: Atlas-eksperimentet.

4. juli 2012 ble en merkedag i fysikken: Cern annonserte funnet av en ny partikkel som meget vel kan være Higgspartikkelen.

–Hvis det virkelig er Higgs er det kanskje den viktigste oppdagelsen siden elektronet ble funnet i 1897, sier Are Raklev, teoretisk fysiker ved UiO.

Alex Read, professor i eksperimentell partikkelfysikk ved UiO og en sentral forsker i Atlas-eksperimentet ved Cern, beskriver betydningen av funnet slik til Dagbladet:

–Det er bursdag, konfirmasjon og bryllup på én gang. Stemningen her nede er fantastisk! Det er som på festival. Vi har funnet en viktig, manglende brikke i teorien som forteller hvordan partikler får en masse. Higgs har vært en del av vår beskrivelse av mikroverden i 50 år, men ingen har sett den. Før nå.

En teori blir til

Hva er det egentlig de har funnet? Vi går 48 år tilbake i tid:

En julidag i 1964 sender den britiske fysikeren Peter Higgs en artikkel til tidsskriftet Physics Letters, med redaksjon ved Cern. Artikkelen beskriver et nytt slags felt som fyller universet og gir partikler masse.

Redaktøren synes ikke artikkelen er relevant for partikkelfysikk og sender arbeidet i retur. Higgs, en smule indignert, sender artikkelen videre til det konkurrerende amerikanske tidsskriftet Physical Review Letters.

I den nye versjonen har han lagt til et avsnitt som skal vise seg å bli viktig for Higgs: I nest siste setning nevner han at teorien medfører at det må finnes en egen partikkel.

Dette er første gang noen nevner denne partikkelen og derfor bærer teorien Higgs’ navn.

Så hva er det teorien går ut på?

Det fysikerne kaller ”vanlig materie”, som stjerner og planeter, sommerfugler og jordbær, er bygget opp av atomer, som igjen består av elementærpartikler som kvarker og elektroner.

Teorien om hva verden består av og hva som holder den sammen kalles Standardmodellen for partikkelfysikk. Les mer om den i Partikkeleventyret.

Hvordan forklare partiklenes masse?

Massen til partiklene er svært forskjellig: En toppkvark er nesten 350,000 ganger så tung som et elektron, mens fotonet er masseløst. Hvordan forklare denne forskjellen?

Her er det Higgs og de andre fysikerne kommer inn. I følge deres teori er universet fylt av et usynlig kraftfelt, Higgsfeltet. Partikler som beveger seg gjennom  dette feltet reagerer med det og får masse. Jo sterkere partikkelen påvirkes av feltet, jo tyngre partikkel.

Dersom Higgsfeltet finnes, sier teorien at det også må eksistere et Higgsboson. Bosoner er en type partikler som formidler krefter. Higgsbosonet overfører effekten av Higgsfeltet til partiklene, som dermed får masse.

Vanskelig? Ja, her befinner vi oss i kvantefysikkens verden. På liten skala må vi legge bort intuisjon og ”sunn fornuft” - reglene for hvordan verden fungerer her er helt annerledes. Eksempelvis kan partikler flytte seg fra sted til sted uten å reise mellom dem, omtrent som om du det ene øyeblikket skulle være hjemme og det andre på puben, men aldri på veien mellom.

For å forklare Higgsfeltet og Higgsbosonet må vi derfor ty til analogier, som at Higgsfeltet kan sammenliknes med en slags sirup som fyller universet. Noen partikler synes sirupen er veldig seig og blir derfor tunge, andre – som lyspartikkelen fotonet – farer gjennom tilværelsen uten å la seg merke med sirupen.

En annen måte å se det på er å tenke på Higgsfeltet som vann og partiklene som vannmolekyler. En strømlinjeformet fisk glir lett gjennom vannet, mens et menneske vader tyngre.

Ingen av disse analogiene blir helt riktige, men de gir et bilde på hvordan man tenker seg at Higgsmekanismen virker.

Jakten på Higgs

En ting er å konstruere en teori som fungerer, noe helt annen å vise at den er riktig. Utover 1960- og 1970-tallet får vi en rekke indikasjoner på at Higgsfeltet virkelig eksisterer, og på 1990-tallet starter for alvor kappløpet om å finne Higgspartikkelen ved flere partikkelakseleratorer.

Som vi nå vet, var det Cern med sin maskin Large Hadron Collider, LHC, som gikk av med seieren. LHC ligger i en 27 kilometer lang sirkelformet tunnel under jorda ved Geneve. I ringen sirkulerer protoner i begge retninger ved nesten lysets hastighet.

Langs ringen ligger fire store detektorer, blant annet Atlas og CMS som er de to detektorene eller eksperimentene som fant den nye partikkelen ”som likner på Higgs.”

Vi kan ikke se Higgs direkte, til det lever den for kort tid. Higgspartiklene som lages når protonene kollider inne i detektorene vil omdannes i brøkdelen av et sekund til andre partikler. Det er disse restproduktene fysikerne leter etter i dataene.

Partikkelkollisjon i Atlas-detektorenEn partikkelkollisjon i Atlas-detektoren 10. juni 2012: Muligens er det et Higgsboson som ble dannet i kollisjonssenteret, for så å omdannes nesten øyeblikkelig til fire myoner (en tyngre utgave elektronet.) Myonene er registrert som de fire røde linjene. Foto: Atlas-eksperimentet.

Eksperimentene ser ikke på én enkelt kollisjon og analyserer om dette er en Higgs (det ville heller ikke vært mulig å bedømme), men behandler data fra en mengde kollisjoner statistisk. Hvor sikre forskerne er på at de har funnet en partikkel oppgis derfor som statistiske sannsynligheter.

Partikkelfysikerne liker best å snakke om antall «sigma» - et mål på hvor sikre de er på at en «hump» de observerer i et dataplott er noe annet enn bakgrunnsstøy. For den som kan litt statistikk: Antall sigma = antall standardavvik fra forventet resultat.

For å kunne annonsere oppdagelse av en partikkel, har fysikerne satt grensen ved fem «sigma». Sannsynligheten for at resultatet IKKE er en partikkel er da mindre enn én til en million.

Det magiske fem sigma-nivået ble nådd ved Cern, og fysikerne kunne juble over annonseringen av en ny partikkel:

-Søkene er i dag kommet lenger enn hva vi forestilte oss var mulig, sa talskvinne for Atlas-eksperimentet, Fabiola Gianotti. –Vi observerer i våre data klare tegn på en partikkel med masse på ca 126 GeV, med en signifikans på fem standardavvik.

Om partikkelen virkelig er Higgspartikkelen kommer det til å ta år med målinger og analyser å avgjøre.

”Jakten på Higgpartikkelen” er derfor langt fra over. Du kan følge jakten på Higgsjegerne-bloggen til tre av UiO-fysikerne som deltar.

Les også: Djevelen i detaljene - essay av Bjørn Samset. (Morgenbladet.)

Av Hilde Lynnebakken
Publisert 6. juli 2012 10:55 - Sist endret 26. okt. 2018 14:07