Den siste biten i puslespillet?

Publisert:23. august 2012Oppdatert:23. august 2012, 15:10

KRONIKK: Betyr oppdagelsen av Higgs-bosonet slutten for denne delen av fysikken? Absolutt ikke.

Den 7. september holder CERNs forskningsdirektør, Sergio Bertolucci et seminar på studentsenteret ved Universitetet i Bergen (UiB). Forskere ved Institutt for Fysikk og Teknologi har i flere år bidratt aktivt til å finne denne nye partikkelen. Seminaret ble  planlagt i god tid før sommerferien, men burde vekke spesielt stor interesse etter at oppdagelsen av en ny partikkel, sannsynligvis ”Higgs-bosonet” ble annonsert den 4 juli i år. Denne partikkelen ble funnet i proton-proton kollisjoner ved CERNs Large Hadron Collider (LHC), av to eksperimenter - ATLAS og CMS - som har arbeidet uavhengig av hverandre. 

Grunnen til at nettopp denne oppdagelsen er så sensasjonell er at Higgs-bosonet står i en særstilling blant de 18 fundamentale partiklene som, i følge ”Standardmodellen”, bygger opp alt det vi ser rundt oss og – når vi ser bort fra gravitasjon – forklarer kreftene mellom dem. Higgs-bosonet er ikke bare den siste uoppdagede partikkelen i denne modellen - den er også sentral i en mekanisme oppfunnet av den skotske fysikeren Peter Higgs i 1964. Med ”Higgs-mekanismen” innebygget i Standardmodellen, så kan de andre partiklene ha masse akkurat slik vi observerer. Eksistensen av denne partikkelen besvarer dermed et fundamentalt, men hittil ubesvart spørsmål om naturens oppbygging.         

 

En av kollisjonene fra ATLAS-eksperimentet der det ser ut til å ha bli lagd et Higgs-boson. De blå/hvite linjene som kommer ut fra midten av bildet viser hvor fire myoner som man regner med kom fra Higgs-bosonet tok veien (Illustrasjon: ATLAS Experiment © 2012 CERN)

Å lete etter det man ikke kan se
Bare de letteste av de 18 partiklene omtalt ovenfor er stabile. For å kunne finne Higgs-bosonet har vi derfor vært avhengig av å lage det selv. Dette gjøres ved å kollidere  partikler med høy energi. I følge Standardmodellen skal noen av disse kollisjonene lage Higgs-bosoner. LHC er en maskin som er laget for å gjøre akkurat dette: To proton-stråler som beveger seg med nesten lyshastigheten bringes til front-mot- frontkollisjon. Ved kollisjonspunktene er det plassert detektorer som brukes til å studere hva som skjer.

Det er partiklene som kommer ut fra det ekstremt kortlivede Higgs-bosonet når det faller i stykker som  observeres i detektorsystemene som er montert rundt kollisjonspunktene i LHC.  To detektorsystemer, ATLAS og CMS, har vært benyttet for å ”ta bilder” av hva som skjer. For å finne ut om et Higgs-boson har blitt laget i en av kollisjonene må vi altså se gjennom alle «bildene» og lete etter fingeravtrykket til Higgs-bosonet. Her er det noen  kompliserende faktorer. For det første er det enormt mange «bilder» å se gjennom – resultatene som ble presentert i sommer er basert på en million milliarder kollisjoner. Data-analysen gjøres derfor ved hjelp av datamaskiner. Og for å få tilgang til nok datakraft har man måttet utvikle en helt ny måte å organisere data-ressursene på. I stedet for at hver forskningsinstitusjon har sine datamaskiner reservert for seg er alle datamaskinene satt sammen i et nettverk, kalt grid. Når man skal bruke datamaskinene sender man bare jobben inn i en felles kø, og jobben blir utført der det er ledig kapasitet til enhver tid. For det andre fins det mange kollisjonsprosesser med fingeravtrykk som ligner et Higgs-boson. Alle disse andre prosessene kalles for bakgrunn og skjuler det vi ser etter. En god del av bakgrunnen er det mulig å fjerne ved å finne karakteristiske trekk ved Higgs-fingeravtrykket som ikke er til stede i den delen av bakgrunnen. Men en del av bakgrunnen har så likt fingeravtrykk til Higgs-bosonet at det er umulig å skille med sikkerhet. Det beste man kan gjøre da er å estimere hvor stor denne delen av bakgrunnen er, og hvis man observerer flere slike fingeravtrykk enn det som kan skyldes bakgrunnen tilskrives dette dannelsen av Higgs-bosoner. Det er med andre ord ikke mulig å si med sikkerhet om et enkelttilfelle faktisk var et Higgs-boson, men man må nøye seg med å konkludere ut fra hvor mange Higgs-like fingeravtrykk man ser sammenlignet med hvor mange man kan forvente å finne i bakgrunnen. Oppdagelsen av den nye partikkelen baserer seg på at man fant så mange Higgs-like fingeravtrykk at sannsynligheten for at de kun skulle komme fra bakgrunnen er mindre enn en milliondel.

Men er det Higgs-bosonet som er funnet?
Higgs-bosonet var den siste biten som manglet i Standardmodellen for partikkelfysikk. Betyr det at oppdagelsen av Higgs-bosonet betyr slutten for denne delen av fysikken? Absolutt ikke. Eksperimentene på CERN går fremdeles for fullt og samler mer data. En viktig oppgave nå som denne nye partikkelen er oppdaget er å studere egenskapene nøye. Det som er observert så langt er at det finnes en partikkel med masse omtrent lik 135 hydrogenatomer og med et fingeravtrykk som passer bra med det man forventer av et Higgs-boson. Men for å være helt sikker på at det er Higgs-bosonet, og ikke en ny ukjent partikkel som er observert, trengs det mer data for å studere alle aspekter ved partikkelen nøyere. Detaljstudier av Higgs-bosonet vil forhåpentligvis kunne fortelle oss hvor veien for den fundamentale fysikken går videre. For selv om Standardmodellen nå er komplett har det de senere årene blitt stadig klarere at det må finnes noe mer. En viktig pekepinn er den mørke materien, som vi nå vet at det finnes langt mer av i universet enn det gjør av vanlig materie. Vi vet ennå ikke hva det er, men det virker klart at ingen av partiklene i Standardmodellen kan utgjøre denne materien. Dette er et av de spørsmålene vi håper at eksperimentene på CERN vil være med på å besvare.

Bergen sitt bidrag
Gruppen for eksperimentell partikkelfysikk ved UiB har deltatt i ATLAS-eksperimentet siden 1995. Bidragene til ATLAS har vært til utprøving av sensorer, med konstruksjon og leveranse av elektroniske detektormoduler som nå er installert i eksperimentet.  Hovedaktiviteten er nå innen analyse av fysikk-data der vi arbeider med mange problemstillinger, også innen søk etter  Higgs-bosonet.

Imidlertid er fysikk-programmet innen  ATLAS langt bredere. Det er blant annet mulig å søke etter kandidater for universets mørke materie, som i visse utvidelser av Standardmodellen (f.eks. i «supersymmetri»), skal kunne påvises i proton-proton kollisjonene ved LHC. Bergensgruppen har her stor analyseaktivitet, og gjennom et stipend fra Bergens forskningsstiftelse som finansierer et senter for mørk materie-forskning (ledet av forsker Heidi Sandaker, som har ansatt en av oss (Buanes) samt to doktorgrads-stipendiater), så har det blitt mulig å knytte denne aktiviteten opp mot søk etter signaturer for verdensrommets mørke materie i kosmisk stråling, gjennom deltakelse i eksperimentet Cherenkov Telescope Array som er under planlegging. Gruppen ser derfor fram til mange spennende år med analyse av fysikkdata fra de eksperimentene vi deltar i!

 

 

 

På Høyden krever at du bekreft e-postadressen din før du kan poste innlegg. Les også våre debattregler

Meld deg på vårt nyhetsbrev og få oppdateringer rett til din e-post!

Abonner på På Høyden nyhetsbrev feed