Our website does not support Internet Explorer.

To get the best experience on our website and of our content, please use a more modern browser like Edge, Chrome, Safari or similar.

Higgspartikler i pardans kan løse materiens gåte

I alle avkroker av universet gir higgspartikler masse til protoner og elektroner. Nå vil fysikere produsere partiklene i par for å avsløre hvordan teamwork ga materien seieren over antimaterien like etter big bang.

Michael Hoch/Maximilien Brice

Et nettverk av higgspartikler omslutter hele universet, fra de fjerneste galaksene til menneskets innerste celler.

Selv om det verken er synlig eller direkte målbart, er det såkalte higgsfeltet helt sikkert stabilt – ellers ville jorda bli vektløs med jevne mellomrom.

Higgsfeltet har vært aktivt helt siden universets begynnelse, noe som sikrer at alle atomenes byggesteiner – for eksempel kvarker og elektroner – har masse. Men hvordan massefeltet fungerer, har vært en gåte for fysikere helt siden higgspartikkelen første gang dukket opp i detektorene i 2012.

Fysikere ved CERN vil avsløre feltets hemmeligheter ved å produsere higgspartikler i par og undersøke hvordan de reagerer med hverandre.

Produksjonen begynner når en oppdatert utgave av Large Hadron Collider, LHC, står klar i 2021 etter to års oppgradering av detektorene.

Da vil fysikerne kunne løse gåten om hvorfor alt har masse. Samtidig kan higgsparene åpne en flik inn i den mørke materiens verden.

Den 14 000 tonn tunge detektoren Compact Muon Solenoid, CMS, er under ombygning for å kunne finne par av higgspartikler.

© Michael Hoch/Maximilien Brice

Parløp holder higgsfeltet stabilt

Selv om ingen har undersøkt higgsfeltets natur, har fysikerne en idé om hvordan nettverket virker, basert på fysiske teorier.

Higgsfeltet gir partiklene energi, og ifølge Albert Einsteins velkjente ligning, E = mc2, er energi lik med masse.

Higgsfeltet kan sammenlignes med et elektrisk felt mellom et positivt og en negativt ladet elektrode – med én avgjørende forskjell: Et elektrisk felt forsvinner når spenningsforskjellen mellom elektrodene utliknes.

Massefeltet er derimot skrudd på i hele universet til evig tid fordi higgspartiklene ustanselig reagerer med hverandre. Reaksjonene opprettholder feltets ladning, noe som igjen gir elementærpartikler masse.

Alle partikler med masse interagerer med higgsfeltet på ulike måter. For eksempel er kvarker koblet kraftig til feltet; dermed har de betydelig masse. Elektroner har en svakere kobling; dermed er de lettere.

Hvordan higgspartiklenes reaksjoner holder feltet skrudd på hele tiden, er uvisst, men det skal fysikerne nå finne ut av ved hjelp av en oppgradering av LHC.

Henfall gir ledetråd

Sannsynligvis har LHC allerede dannet omkring tusen higgspartikkelpar, men de er så sjeldne at de drukner i støyen fra byger av partikler som billioner av kollisjoner har frambrakt siden forsøkene startet i 2010. Men en ny oppdagelse øker optimismen.

Da fysikerne fant higgspartikkelen i 2012, ble den avslørt av et sjeldent henfall til to energirike gammafotoner.

Men i fjor så fysikerne en higgspartikkel som henfalt til to tunge bunnkvarker, som bare kan produseres ved energirike protonsammenstøt i for eksempel LHC.

Den typen henfall inntreffer trolig i 60 prosent av de tilfellene der LHC danner en individuell higgspartikkel. Det samme vil være tilfellet når higgspartiklene blir produsert i par. Derfor vet fysikerne nå hva de skal lete etter for å finne higgspar i de enorme datamengdene: at fire bunnkvarker oppstår samtidig.

Ledetråden styrker håpet om at LHC fram mot 2035 kan avsløre higgspartiklenes hemmelige parløp og fastslå hvordan de skaper det evige, universelle massefeltet.

Accelerator bliver rustet til jagten på higgspar
© Atlas Experiment/CERN

Akselerator blir gjort klar til jakten på Higgs-par

Når protonene (diagonale rør på bildet) i partikkelakseleratoren Large Hadron Collider kolliderer med en energi på 13 billioner elektronvolt, oppstår det ifølge teorien ett Higgs-par (gule figurer) for hver to tusende individuelle higgspartikkel.

Higgsparene blir avslørt av de fire kvarkene (grå kjegler) som parene ofte henfaller til.

Det at det skjer så sjeldent, har gjort det umulig å observere parproduksjonen. I 2016 fant den store ATLAS-detektoren et mulig higgspar, som gir fysikerne en idé om hva de skal lete etter.

For å utvide jakten får LHC en overhaling. Før de neste forsøkene i 2021 blir detektorene oppgradert, slik at det blir litt enklere å finne higgspar.

Selve akseleratoren forbedres i årene 2024–2025, slik at kollisjonsraten tidobles til ti milliarder protonsammenstøt i sekundet, noe som vil øke sjansen for å produsere higgspar.

Røper oppskriften på ursuppe

LHC har tidligere frambrakt universets ursuppe, som eksisterte omkring et mikrosekund etter at universet ble til. Men higgsparene kan gå enda et mikroskopisk skritt tilbake og gjenskape selve dannelsen av ursuppen, der higgsfeltet oppsto, en billiondel av et sekund etter big bang.

Før det hadde universet ifølge teorien utvidet seg raskere enn lyset i en ultrakort periode, inflasjonen. Den eksplosive utvidelsen ble drevet av hypotetiske partikler som kalles inflatoner.

Da higgsfeltet oppsto, skjedde det en faseovergang – omtrent som når damp nedkjøles til vann – og feltet omsatte inflatonenes energi til masse, kvarker og antikvarker.

Hvis det opprinnelige higgsfeltet utløste en ekstremt voldsom faseovergang, kan det ha skapt en ustabilitet som kanskje rommer forklaringen på at alle universets galakser består av materie.

Materiens seier over antimaterien har vært en gåte gjennom flere tiår. Ifølge de fysiske teoriene ble det dannet akkurat like mange kvarker og antikvarker, men i så fall ville ikke galaksene eksistere.

For når materier og antimaterie møtes, utsletter partiklene hverandre. Derfor må det for hver eneste milliard antikvarker ha blitt dannet omkring en milliard og en kvark.

De overlevende kvarkene dannet deretter de første atomene.

Higgsfeltet skapte all materie like etter big bang

En billiondel av et sekund etter big bang ga higgsfeltet masse til både materie og antimaterie. Nå vil fysikerne gjenskape det øyeblikket feltet oppsto for å forstå hvorfor antipartiklene tapte kampen, slik at alle kjente galakser består av materie.

Mørke higgspartikler

Higgspartiklene og higgsfeltet ble lagt til fysikkens standardmodell for flere tiår siden for å forklare hvordan andre partikler får masse.

Da forsøkene på LHC produserte higgspartikkelen, ble standardmodellen definitivt bevist. Men modellen inneholder flere hull. Den kan for eksempel ikke forklare den mørke materien som astronomene mener utgjør 85 prosent av den samlede massen i galaksene.

Par av higgspartikler kan også åpne en dør på klem til den mørke materiens skjulte verden. Nye teorier innebærer at det finnes ukjente tvillinger til standardmodellens higgspartikkel, og at en av dem skaper et mørkt massefelt som gir mørk materie masse.

Hvis de finnes, vil den oppgraderte versjonen av LHC kunne brukes til å oppdage opptil seks ganger flere higgspar enn standardmodellens spådommer.

Avviket vil være et sterkt indirekte bevis på at mørk materie eksisterer.

Kjempeakselerator klar på 2040-tallet

Hvis ikke LHC kan produsere nok par av higgspartikler, må vi vente på Future Circular Collider, som står klar til å ta over på 2040-tallet. Den gigantiske akseleratoren kan dundre protoner sammen sju ganger kraftigere enn LHC og produsere minst 40 ganger flere higgspar.

Dermed får fysikerne mye bedre muligheter for å løse gåten om materiens seier over antimaterien, gåten om den mørke materien, og hvorfor atomenes enkeltdeler har masse – i galakser, i sola og i mennesker.

Les også:

Partikler

Fysikere jakter på universets speilbilde

9 minutter
Partikler

Har nøytrinoer masse?

0 minutter
Partikler

Her er den øvre temperaturgrensen

2 minutter

Logg inn

Ugyldig e-postadresse
Passord er påkrevd
Vis Skjul

Allerede abonnement? Har du allerede et abonnement på magasinet? Klikk her

Ny bruker? Få adgang nå!

Nullstill passord

passowrd_reset.form.email_help
Ugyldig e-postadresse

Skriv inn passord

Vi har sendt en e-post til med en kode
Feil: Skriv inn kode

Nytt passord

Passord er påkrevd
Vis Skjul