Higgs-boson og søken etter ny fysikk: hvor beveger vitenskapen seg etter det store oppdagelsen

4. juli vil for alltid være en dag i fysikkshistorien som den dagen verden lærte om eksistensen av en partikkel som har vært umulig å fange i mange år. Higgs-bosonen, funnet i data fra verdens mest kraftige partikkelakselerator, ble en triumf for teoretisk tenkning. Han bekreftet den strukturen av mikromir som vitenskapsmenn har bygget i tiår. Likevel kom denne seieren med en oppvåkning: Standardmodellen, bekreftet med utrolig nøyaktighet, beskriver bare en liten del av universet. Det som ligger utenfor dens grenser, forblir et mysterium. Og i dag, når støyen rundt «Gudens partikkel» har dødd ned, fortsetter fysikere å se på dataene, håpfulle om å se de første skjæringslysene av det som kan bli det neste store oppdagelsen.

Hva er Higgs-bosonen og hvorfor stopper han ikke

Higgs-bosonen er et kvantefelt som gjennomstrømmer alt rom. Takket være dette feltet får elementære partikler masse. Uten det ville verden vært helt annen: Det ville ikke vært atomer, molekyler, stjerner eller planeter. Oppdagelsen av denne partikelen ble det siste strøket i bildet av mikromir som kalles Standardmodellen. Den forklarer interaksjonene til alle kjente partikler, men lar mange spørsmål ubesvarte. Hvorfor er det så lite antivæsken i universet? Av hva består mørk materi, som er usynlig, men føles gjennom tyngdekraft? Hvorfor har neutrinoer, i strid med forslagene, masse? Disse spørsmålene gir ikke forskerne ro. Nettopp derfor kalles Higgs-bosonen ikke slutten, men begynnelsen på en ny fase i fysikk. Hans egenskaper kan vise vei til hva som ligger bak det kjente.

Nye kandidater: Higgs-familien kan være større enn vi tror

En av de mest naturlige idéene er at Higgs-bosonen ikke er den eneste representanten for sin type. Teoretiske modeller antar at det finnes flere higgsosonpartikler, som varierer i masse og andre egenskaper. En utvidet higgsosonsektor kan forklare noen av de nevnte anomaliene. For eksempel, hvis man legger til et annet dublett av skalarfelt, åpner dette muligheten for å eksistere et tungt eller lett ekstra bозон. Fysikere har allerede sett svake, men interessante antydninger i dataene som kan peke på slike partikler. Dette kan være bозоны med masser på omtrent 95 eller 150 giga-elektronvolt. Det undersøkes også alternativer med pseudoskalar bозоны, som forutsies i teorier knyttet til axioner. Hvis slike partikler virkelig eksisterer, vil deres oppdagelse bli et kraftig bevis for at naturen er mer kompleks enn vi trodde.

Mørk materi: den største gåten i moderne fysikk

Den mest forventede kandidaten til å være den «neste» partikelen, er den som består av mørk materi. Vi vet at den utgjør omtrent en fjerdedel av universets masse, men vi vet ikke hva den består av. De deltar ikke i elektromagnetiske interaksjoner, så de kan ikke sees direkte. Deres gravitasjonelle innvirkning blir imidlertid vist i galaksienes bevegelse. Blant hypotetiske kandidater skiller seg spesielt aksoner ut — lette partikler foreslått for å løse en annen fysikkproblem, og neutrinos — forutsies av supersymmetri-teori. Supersymmetri antar at hver kjente partikkel har en partner med endrede egenskaper. Den letteste av disse partikkelfamilien kan være stabil og svakt interagerende, noe som gjør den til en ideell kandidat for mørk materi. Experimentene på collider og underjordiske detektorer søker allerede etter slike partikler, men uten suksess. Likevel mister fysikere ikke optimismen: hvis mørk materi eksisterer, må den vise seg gjennom sjeldne hendelser, og vi vil til slutt registrere dem.

Ikke bare fundamentale, men også sammensatte: hadronzooen vokser

I tillegg til å søke etter nye fundamentale partikler, fortsetter vitenskapsmenn å oppdage sammensatte objekter som består av kvarker. Disse partikkelfamilien hjelper til med å forstå det sterke vekselvirket — den kraften som holder kvarkene inne i protoner og neutroner. De siste årene har nye mesoner og barioner med uvanlige kombinasjoner av kvarker blitt oppdaget. Noen av dem har vist seg å være eksiterte tilstander av kjente partikler, andre er eksotiske strukturer som tetrakvark eller pentakvark. Hvert slikt oppdagelse utvider vårt forståelse av kvantchromodynamikk og bringer oss nærmere en mer fullstendig teori. Selv om disse partikkelfamilien ikke er «ny grunnleggende fysikk», tillater de å teste teorier i ekstreme forhold og søke etter avvik fra forslagene.

Nye akselerator: hvordan vi vil søke etter den neste partikelen

For å se forbi Standardmodellen, trenger vi mer kraftfulle verktøy. De nåværende colliderne har nådd energilimittene sine, og nye oppdagelser krever et skritt videre. Fysikere planlegger allerede ringakseleratorer av nye generasjoner, som vil være flere ganger kraftigere enn de nåværende. De vil tillate protonkollisjoner med energi nok til å føde partikler som nå er utilgjengelige. I tillegg utvikles elektron-positron colliderer, som vil gi muligheten til å studere kjente partikler med usynlig presisjon. Og i en mer avlegget fremtid vurderes prosjekter for myon colliderer — myoner, som er punktformede partikler, skaper mer «renne» hendelser, noe som kan bli nøkkelen til å oppdage nye fenomener.

Hva kan det neste oppdagelsen bringe oss

Oppdagelsen av noen partikkel utenfor Standardmodellen vil være en revolusjon. Hvis en ekstra Higgs-boson blir funnet, vil dette bekrefte teorier om en mer kompleks struktur av vakuumet. Hvis en partikkel av mørk materi blir åpenbart, vil vi til slutt forstå hva den store delen av universet består av. Hvis supersymmetriske partnere viser seg, vil dette åpne veien til å forene alle naturkrefter. Hvert av disse hendelsene vil endre vårt forståelse av universet. Selv om vi for øyeblikket bare ser svake antydninger i dataene, avtar intensiteten i søket ikke. Fysikere analyserer hvert hendelse, hver energibølge, håpfulle om å fange opp et signal som ikke passer inn i standardforklaringer.

Konklusjon

Higgs-bosonen var toppen av en fjell, men bak den ligger et helt høydedrag av uoppdaget. I dag befinner fysikk av elementære partikler seg på et kryssvei. Det er mange teorier, men ingen eksperimentelle bevis. Den neste nye partikelen kan være noe av det allerede forutsagt eller noe helt uventet. Fysikere er klare til å møte enhver utvikling. En ting kan si med sikkerhet: hvis vi fortsetter å søke, vil vi definitivt finne. Historien om vitenskap lærer at de største oppdagelsene ofte skjer når de minst forventes. Og kanskje er den neste store partikelen allerede skjult i dataene, venter på at noen skal merke dens svake, men trofaste signal.

Permanent link to this publication: