Nobelpriset i fysik 2013

BEH-mekanismen, Higgspartikeln och hur partiklar får massa

Vad hade man sett? Jo, man hade sett spår av den så länge eftersökta Higgspartikeln. Två kollaborationer om vardera 3 000 forskare varav 1 000 doktorander från över 100 länder hade arbetat i tjugo års tid för att åstadkomma detta. Man hade byggt världens största accelerator Large Hadron Collider (LHC) och konstruerat världens mest komplexa datorsystem, World Wide Grid. Man hade planerat det hela i trettio år. Från de många biljoner proton-protonkollisioner som man studerat hade man fått ut några dussintal reaktioner som tydde på att de haft en Higgspartikel som mellantillstånd. LHC är 27 km lång och i denna lyckas man hålla klumpar av protoner samman, någon nanometer stora. Betänk att protonerna repellerar varandra. De färdas med en hastighet mycket, mycket nära ljushastigheten. När strålen är i gång finns det lika mycket energi i ringen som hos ett X2000-tåg som susar fram i hög hastighet. När man stängde ned acceleratorn i våras för en tvåårig översyn hade man producerat kanske någon miljon Higgspartiklar varav man kunnat identifiera några hundratal. Varför har man gjort denna oerhört stora forskningsansträngning? Jo, Higgspartikel var den sista byggstenen i vad som kallas Standardmodellen för partikelfysik.

De fyra fundamentala krafterna i Naturen

Sedan gammalt har vi känt till två fundamentala krafter i Naturen, gravitationskraften och den elektromagnetiska kraften. När vi betraktar dem ned på partikelnivå finner vi att den elektromagnetiska kraften är ofattbart mycket starkare, ungefär 1040, gånger än gravitationskraften. Detta har gjort att man har bortsett från gravitationskraften när man studerat elementarpartiklar. Det finns dock två ytterligare fundamentala krafter som enbart verkar i mikrokosmos, den starka kraften som binder kärnor samman och den svaga som ger upphov till de radioaktiva sönderfallen.

Under senare delen av 1940-talet lyckades Sin-Itiro Tomonaga, Richard Feynman och Julian Schwinger (Nobelpris 1965) att formulera en till synes invändningsfri kvantteori för elektromagnetismen, Quantum ElectroDynamics (QED). Kunde man finna motsvarande kvantteorier för den starka och den svaga kraften. Ett uppenbart problem var att den kraftförmedlande partikeln för QED, fotonen, är masslös, det vill säga den färdas med ljushastigheten och därför ger upphov till en kraft med lång räckvidd. För att få en kort räckvidd som för den starka och den svaga kraften måste de kraftförmedlande partiklarna vara massiva. Om man försökte att ge fotonen en massa försvann alla de goda egenskaperna. Det verkade inte som om man kunde använda samma typ av teori som för elektromagnetismen för de andra krafterna.

Under den senare delen av 1950-talet började man istället förstå att protonen och neutronen inte var fundamentala partiklar. Dels fann man många nya starkt växelverkande partiklar som kunde ordnas in i nya inre symmetrier, dels kunde Murray Gell-Mann slutligen föreslå att dessa partiklar faktiskt var bundna tillstånd av mer fundamentala partiklar, kvarkarna (Nobelpris 1969).

Den svaga växelverkan kom att stå i fokus sedan man funnit att den inte bevarar pariteten, det vill säga den skiljer på höger och vänster (Nobelpris till Chen-Ning Yang och Tsung-Dao Lee 1957). Man lyckades snabbt formulera en teori som stämde väl med experimenten men som inte kunde vara en fullgången teori. Kunde denna vara en effektiv teori för en mer fundamental sådan?

Spontant symmetribrott och BEH-mekanismen

I sin strävan att förstå mekanismen bakom supraledning, det vill säga att för vissa metaller försvinner resistansen då man kommer under en kritisk temperatur formulerade Yoichiro Nambu år 1960 teorin för spontant symmetribrott (Nobelpris 2008). Han visade att man kunde ha teorier där grundtillståndet inte är symmetriskt, medan de underliggande ekvationerna fortfarande har en symmetri. Detta var ett sätt att både ha kakan och också äta den.

Tänk på en kula som placeras på toppen på kullen i en mexikansk hatt. Denna situation är helt symmetrisk. Om man släpper kulan kommer den att rulla ned och lägga sig någonstans i brättet. Om man ser brättet som en dalgång som går runt hatten ser man att kulan kan rulla fritt runt brättet. Om man i en fältteori använder en potential som den mexikanska hatten motsvarar detta en masslös partikel. I den vinkelräta riktningen kommer det att fordras en kraft för att den ska rulla upp för brättet. Detta motsvarar en massiv partikel.

Lösningen hur man kan ha en teori med kort räckvidd men ändå ha alla goda egenskaper som i elektrodynamiken kom i några arbeten år 1964, mycket korta arbeten på någon sida vardera. I det första kombinerade Robert Brout och François Englert elektromagnetismen med just två skalära fält med den potential vi beskrivit ovan. De fann då att den masslösa skalära partikeln går samman med den masslösa fotonen som förmedlar den elektromagnetiska kraften och bildar en massiv partikel. Växelverkan blev då av kort räckvidd!

Några månader senare studerade Peter Higgs samma teori som Brout och Englert studerade och fann samma resultat. Han visade också mer explicit än Brout och Englert att den massiva skalära partikeln finns kvar och beräknade dess massa. Detta fält kom sedan att kallas Higgsfältet och dess partikel Higgspartikeln. Mekanismen att ha en så kallad gaugeteori med kort räckvidd kom att kallas BEH-mekanismen.

Ett tredje oberoende arbete utfördes ungefär samtidigt i Sovjetunionen av två 19-åriga studenter, Alexander Migdal och Alexander Polyakov. De gjorde en mer fullständig kvantmekanisk beräkning och fann samma resultat som de övriga hade funnit.

Detta arbete mötte dock stort motstånd i Sovjetunionen, och de fick till en början inte ens skicka in arbetet till en tidskrift. Det fördröjde publicerandet ett år.

Standardmodellen för Partikelfysik

Vad gjorde nu forskarvärlden när man löst detta problem? Man ignorerade det. Man trodde inte att teorin skulle vara invändningsfri. Det kom att gå sju år innan en ung holländsk student Gerhard ’t Hooft visade att dessa teorier verkligen är invändningsfria. Detta ledde till en revolution inom partikelfysiken. Man förstod att man kunde använda Brouts, Englerts och Higgs idéer för att formulera en teori för alla de tre växelverkningarna, Standardmodellen för partikelfysik, och man förstod att alla partiklar som har massa får detta i samspelet med Higgsfältet. Man fann snabbt alla partiklarna i modellen utom Higgspartikeln. Det återstod bara att hitta denna.  Higgsfältets koppling till de massiva partiklarna är proportionell mot deras massa.

Det betyder att det är endast i kopplingen till de väldigt tunga partiklarna som vi kan förvänta oss att skapa Higgspartiklar i någon omfattning. Detta kräver att man kan skapa partikelstrålar med mycket hög energi för att ha en chans att finna en Higgspartikel. Detta förstod man redan i slutet av 1970-talet och förberedelser gjordes både vid CERN i Genève som i USA för att bygga en mycket stor accelerator. I USA lades projektet ned under 1990-talet men förberedelserna fortgick vid CERN efter det formella beslutet att bygga Large Hadron Collider år 1993. Man beslöt att sätta upp två experimentella kollaborationer, ATLAS och CMS, som byggde var sin detektor. Dessa fick enorma proportioner. ATLAS är till exempel 46 meter lång och stor som en sexvåningsbyggnad. Samtidigt pågick byggandet av acceleratorringen och man satte upp ett universellt datorsystem. World Wide Grid, som skulle kunna ta emot och behandla alla data. Den 30 mars 2010 fick man så den första kollisionen mellan två protoner, och den 4 juli 2012 kom så det efterlängtade resultatet.

Äntligen kunde Englert och Higgs få sitt Nobelpris. Det tragiska är att Brout hann avlida för några år sedan.

Bortom Standardmodellen

För mig som fått uppleva resan från alla de olösta frågorna som fanns när jag började mina forskarstudier i slutet av 1960-talet till att vi nu har en teori som i princip kan förklara vad som händer på de minsta avstånden är den fantastisk. Vi förstår tre av de grundläggande krafterna, men vad händer med gravitationskraften? Den klassiska teorin, Einsteins allmänna relativitetsteori, är kanske den vackraste teoribildning som världen skådat, men den kan inte tas över till kvantvärlden. Den kan inte vara basen för kvantgravitationen. Sedan 1970-talet har jag arbetat med några kollegor på denna fråga, och på 1980-talet föreslog vi att man måste ha en annan utgångspunkt för en kvantgravitationsteori.

Medan Standardmodellen är baserad på att de fundamentala partiklarna är punktlika, antog vi att de egentligen har en utsträckning i en dimension, att de är strängar. Så föddes Supersträngteorin som är en kvantgravitationsteori, och som i sig inrymmer Standardmodellen för partikelfysik, och som varit den mest populära modellen i den grundläggande fysiken sedan dess. Denna har visat sig vara mer komplicerad och djupare än vad vi kunde ana, och vi är fortfarande bara i utkanten av att förstå den, men vi tror att detta kan vara den teori som förenar alla de fyra fundamentala krafterna.

Detta har varit och är ledstjärnan för vår forskargrupp, och också denna resa har varit fantastisk. Vårt hopp är att inom rimlig tid kunna finna den underliggande teorin för all fundamental växelverkan.