Partiklar universums hastighetsgränser – Higgsfältet

Partiklar utmanar universums hastighetsgränser

Liksom idrottare kämpar för att slå rekord pressar forskare nu partiklar till det yttersta. Försök visar att ljud har en absolut topphastighet och att ljusets hastighet kanske kan överträffas. Och i motsatta änden av skalan har forskare fått atomer att stå nästan helt still.

Liksom idrottare kämpar för att slå rekord pressar forskare nu partiklar till det yttersta. Försök visar att ljud har en absolut topphastighet och att ljusets hastighet kanske kan överträffas. Och i motsatta änden av skalan har forskare fått atomer att stå nästan helt still.

Shutterstock / Lotte Fredslund

I flera studier har fysiker på senare år närmat sig och till och med utmanat universums hastighetsgränser. Forskare har bland annat visat att partiklar i teorin kan färdas snabbare än ljuset och mätt den extremt korta tid det tar för en foton att passera en vätemolekyl.

Det är det så kallade Higgsfältet som sätter den fysiska gränsen för hur snabbt partiklar kan röra sig.

Higgsfältet är utspänt i rymden som en sorts spindelväv där partiklarna fångas, vilket ger alla de atomära byggstenarna sin massa. Ju starkare en partikels koppling till fältet är, desto tyngre är den.

Kvarkar, som bygger upp atomkärnornas protoner och neutroner, är starkt kopplade till massfältet och därmed tunga. Elektroner och neutriner har en svagare koppling och är följaktligen lättare.

Kopplingens styrka bestämmer partiklarnas topphastighet. Den kosmiska spindelväven klibbar sig fast hårdast vid tunga partiklar och sinkar dem därför mer än lätta partiklar.

Eftersom ljuspartiklar, fotoner, saknar massa påverkas de inte av Higgsfältet. Därför färdas ljuset i 299 792 458 meter per sekund, universums hastighetsgräns. I den egendomliga kvantvärlden kan emellertid partiklar färdas snabbare än ljuset genom så kallade kvanttunnlar.

1. De snabbaste partiklarna

Partiklar universums hastighetsgränser – rubidium

I försök har rubidiumatomer passerat genom en kvanttunnel. Här visas ämnet i delvis smält form.

© Dennis SK

Partiklar tar genväg genom tunnel

100 procent av ljusets hastighet

En boll som träffar en vägg studsar tillbaka, medan vissa partiklar kan passera rakt igenom väggen. Detta fenomen benämns kvanttunnel, och turen genom tunneln kan i teorin ta kortare tid än partikeln behöver för att tillryggalägga samma sträcka i vakuum.

Kanske kommer partiklar till och med att kunna färdas snabbare än ljuset genom att ta en genväg genom en kvanttunnel. Det har ett nytt experiment utfört av fysiker vid University of Toronto i Kanada gett det hittills starkaste indiciet på.

Forskarna använde ultrakalla rubidiumatomer, som sakta rörde sig mot en 1,3 mikrometer bred magnetisk barriär. Vissa av atomerna passerade barriären genom kvanttunnlar.

Forskare har fått rubidiumatomer att passera en magnetisk barriär snabbare än de skulle kunna tillryggalägga samma sträcka i vakuum. Atomernas hastighet mättes med hjälp av deras rotationsriktning.

kvanttunnel – atomernas rotation
© Samuel Velasco/Quanta Magazine/Lotte Fredslund

1. Atomernas rotation likriktas

Alla atomer roterar runt sig själva (pil). Med hjälp av ett magnetfält likriktade fysikerna omkring 8 000 rubidiumatomer i en ultrakall gas, så att deras rotationsaxel vändes åt samma håll.

kvanttunnel – magnetisk barriär
© Samuel Velasco/Quanta Magazine/Lotte Fredslund

2. Kvanttunnlar skapar passage

Atomerna drev sedan i riktning mot en magnetisk barriär. De flesta atomerna studsade tillbaka likt bollar mot en vägg, men vissa av dem tog sig igenom barriären via så kallade kvanttunnlar.

kvanttunnel – atomernas rotation
© Samuel Velasco/Quanta Magazine/Lotte Fredslund

3. Rotation visar atomernas hastighet

Ju längre tid passagen tar, desto mer förändras inriktningen av atomernas rotationsaxel. Mätningar av axlarna visade att atomerna passerade barriären snabbare än om den inte hade funnits där.

Mätningar av kvantfenomen är alltid osäkra, men försöket var tillräckligt exakt för att visa att atomerna i genomsnitt behövde 0,61 millisekunder på sig att färdas genom tunneln. Enligt forskargruppens ledare Aephraim Steinberg är det snabbare än de hade tillryggalagt samma sträcka i vakuum.

Restiden genom en kvanttunnel ökar inte särskilt mycket även om barriären görs bredare. Därför tror Steinberg att en tillräckligt lång kvanttunnel genom en tjock barriär skulle kunna få atomer att accelerera till en hastighet som överskrider ljusets hastighet.

2. Den första simultanmätningen

Partiklar universums hastighetsgränser – Virgo-Aerial-View

Virgodetektorn i Italien registrerade gravitationsvågorna från en kollision mellan två neutronstjärnor.

© Virgo Coll

Gravitationen tävlar mot ljuset

100 procent av ljusets hastighet

Enligt Einsteins allmänna relativitetsteori rullar gravitationsvågor genom rymden i exakt ljusets hastighet. År 2017 kunde fysiker för första gången testa om hans förutsägelse stämmer.

Gravitationsvågor är krusningar i rymden som uppstår vid stora kosmiska händelser, till exempel när två neutronstjärnor för 130 miljoner år sedan kolliderade i Vintergatan och bildade ett svart hål. Trots att neutronstjärnor bara har en diameter på 20 kilometer innehåller de mer massa än solen, och i kollisionen mellan de två tunga stjärnorna avgavs både gravitationsvågor och ljus i form av en gammablixt.

När signalerna nådde jorden lyckades man för första och hittills enda gången registrera bägge delar samtidigt. Gravitationsvågorna upptäcktes av två detektorer i USA och en i Europa, medan gammablixten samtidigt registrerades av Nasas satellit Fermi.

Partiklar universums hastighetsgränser – gravitationsvågor

En kosmisk kollision för 130 miljoner år sedan avgav ljus i form av en gammablixt samt gravitationsvågor.

© GSFC/NASA

Till forskarnas förvåning kom gravitationsvågorna fram 1,7 sekunder före gammablixten. Till en början verkade det som om gravitationsvågorna hade rört sig snabbare än ljuset, men forskarna tror att den minimala tidsskillnaden, under två sekunder på 130 miljoner år, har andra orsaker.

Antingen avgavs gammablixten från de kolliderande neutronstjärnornas inre, så att gravitationsvågorna vid ytan fick ett försprång, eller så försenades ljuset en aning av ett tätt gasmoln som uppstod vid kollisionen. Einstein har alltså ännu inte motbevisats.

3. Den kortaste tidsrymden

Partiklar universums hastighetsgränser – Petra-III

Fysiker använde den tyska röntgenlasern Petra III för att mäta hur lång tid det tar för en ljuspartikel att passera genom en vätemolekyl.

© Heiner Müller-Elsner/DESY

Forskare mäter ljusets väg genom en molekyl

100 procent av ljusets hastighet

De snabbaste kemiska reaktionerna sker på miljondelar av en miljarddels sekund. Under de två senaste årtiondena har forskarna utvecklat lasrar som blinkar tillräckligt snabbt för att kunna mäta dessa reaktioner i realtid.

Nu har en grupp tyska fysiker under ledning av Reinhardt Dörner vid Goethe-Universität Frankfurt am Main registrerat en ännu kortare tidsrymd. Den mäts i zeptosekunder, det vill säga biljondelar av en miljarddels sekund.

Fysikerna använde röntgenlasern Petra III i Hamburg för att mäta hur lång tid det tar för en ljuspartikel att färdas genom en vätemolekyl, världens minsta molekyl med ett tvärsnitt av 120 biljondelar av en meter. Vätemolekylen innehåller två protoner (blå) och två elektroner.

Partiklar universums hastighetsgränser – ljusets väg

Genom att sända en ljuspartikel genom en vätemolekyl och studera vågorna som bildades (interferensmönstret) uppmätte forskarna den hittills kortaste tidsrymden.

© Shutterstock & Lotte Fredslund

Fysikerna besköt molekylen med enstaka röntgenfotoner. Fotonen (gul pil) rörde sig genom molekylen i ljusets hastighet och sparkade först ut den ena elektronen och därefter den andra ur elektronmolnet (grått) runt de två protonerna.

Utanför molnet blev elektronerna till vågor, som träffade varandra likt ringar på vattnet och bildade ett interferensmönster (rött). Med hjälp av mönstret kunde forskarna beräkna exakt hur lång tid det tog från det att fotonen träffade den första elektronen tills den träffade den andra.

Mätningarna visade att röntgenfotonen passerade genom vätemolekylen på 247 biljondelar av en miljarddels sekund, eller 247 zeptosekunder. Det är den kortaste tidsrymd som någonsin uppmätts.

4. Det långsammaste ljuset

Partiklar universums hastighetsgränser – fotoners vågform

Forskare har förändrat fotoners vågform (till vänster) och därmed sänkt ljusets hastighet i vakuum.

© University of Glasgow & Heriot-Watt University

Omformade ljuspartiklar hamnar efter i fältet

99,999 procent av ljusets hastighet

Ljusets hastighet i vakuum räknas vanligen som en konstant, men i försök har forskare nu lyckats få ljuspartiklar att röra sig 0,001 procent långsammare än vanligt.

När ljus rör sig genom transparenta medier som glas eller vatten bryts ljusvågorna, vilket gör att deras hastighet sänks i förhållande till topphastigheten i vakuum, som är 299 792 458 meter per sekund. Ljusets hastighet sjunker exempelvis till 224 844 344 meter per sekund i vatten.

Den danska fysikern Lene Hau vid Harvard University i USA väckte sensation när hon år 1999 sänkte ljusvågors hastighet ända ner till 17 meter per sekund genom att sända dem genom en ultrakall gas. Den ultimata experimentella utmaningen är emellertid att sänka ljusets hastighet i vakuum. Där har Jacquiline Romero och Daniel Giovannini vid skotska University of Glasgow uppnått de hittills bästa resultaten.

Forskarna producerade ljuspartiklar i par och skilde dem åt med ett prisma innan de sändes genom en meterlång racerbana i vakuum. Vid banans ingång passerade den ena fotonen ett nät i form av en ihålig skiva, som förändrade dess form. Det går att göra för att ljuspartikeln enligt kvantmekanikens märkliga lagar är både en partikel och en våg.

Vågen kom att likna en pilkastningstavla (till vänster), och de omformade fotonerna förlorade 0,001 procent av sin hastighet på sin väg genom racerbanan jämfört med de oförändrade fotonerna (till höger).

Ljuspulsen som helhet sprintade emellertid genom banan i ljusets vanliga topphastighet i vakuum. Giovannini jämför de långsamma fotonerna med cyklister som faller tillbaka i fältet i Tour de France, utan att fältets totala hastighet minskar.

5. Den snabbaste ljudvågen

Partiklar universums hastighetsgränser – metalliskt väte

Mellem to diamantspidser kan brint udsættes for så stort tryk, at den bliver til fast brintmetal.

© Max Alexander/SPL

Ljudets maxhastighet uppnås i metalliskt väte

0,012 procent av ljusets hastighet

Ljudvågor sprids genom att sätta atomer i svängningar. Ljudet är långsammast i gaser, snabbare i vätskor och allra snabbast i fasta ämnen. Ju hårdare och styvare ämnet är, desto snabbare färdas ljud genom det. Rekordet har uppmätts i diamanter, där ljudet kommer upp i 12 000 meter per sekund.

Nu har Kostya Trachenko vid Queen Mary University of London teoretiskt slagit fast att ljud liksom ljus har en maxhastighet som inte går att överskrida. Förutsägelsen grundar sig på mätningar av ljudets hastighet i 130 fasta ämnen, som visar att hastigheten påverkas av massan hos de atomer som ett material består av.

Ju lättare ett materials atomer är, desto snabbare passerar ljudvågorna genom materialet. Därför är ljudets hastighet högst i fast metalliskt väte, som består av universums lättaste atomer. Hastigheten uppgår då till 36 000 meter per sekund.

Fysiker arbetar med att framställa metalliskt väte genom att pressa samman väte i diamanttryckceller. Om det lyckas kan ljudets topphastighet testas.

6. De långsammaste atomerna

Partiklar universums hastighetsgränser – Cold Atom Laboratory

I laboratoriet Cold Atom Lab på rymdstationen ISS kan atomer kylas till nära nollpunkten.

© JPL-Caltech/NASA

Atomer går nästan helt i stå

0,00000667 procent av ljusets hastighet

Värme skapas av atomer i rörelse. Ju långsammare atomerna rör sig, desto kallare är gasen.

Absoluta nollpunkten motsvarar minus 273,15 grader. Då borde atomerna enligt den klassiska fysiken stå still bortsett från rotationen, men kvantmekaniken får något annat att hända.

Atomernas hastighet i en gas minskar gradvis vid fallande temperaturer ner till 200 miljondelar av en grad över nollpunkten, då atomernas hastighet är 20 centimeter per sekund eller 0,00000667 procent av ljusets hastighet.

Vid ytterligare nedkylning förlorar emellertid atomerna sin identitet som partiklar och övergår till en kollektiv kvantvåg, ett atommoln som sprids som ringar i vatten. Detta kallas ett Bose–Einstein-kondensat.

Tillståndet varar bara några få millisekunder innan gravitationen får atommolnet att falla till försökskammarens botten, så att den värms upp. Det gör det svårt att undersöka absoluta nollpunkten på jorden. Därför har försöken nu flyttats till den internationella rymdstationen ISS.

I försök på rymdstationen ISS fångas atomer in i en magnetisk fälla och kyls ner till strax över absoluta nollpunkten.

Partiklar universums hastighetsgränser – laserstrålar kyler ner atomer
© Claus Lunau

1. Laserstrålar fryser rörelser

Ett magnetfält håller en gas av atomer svävande i en vakuumkammare. Laserstrålar bromsar atomerna och kyler dem till 100 miljondelar av en grad över nollpunkten. Den kalla gasen förs över till ett så kallat atomchips överst i kammaren.

Partiklar universums hastighetsgränser Bose–Einstein-kondensat
© Claus Lunau

2. Radiovågor avlägsnar varma atomer

Radiovågor knuffar ut de varmaste atomerna ur gasen, som när man blåser på varmt te. Det sänker temperaturen till några få miljarddelar av en grad över nollpunkten, då gasen omvandlas till ett atommoln, ett så kallad Bose–Einstein-kondensat.

Partiklar universums hastighetsgränser – tyngdlös utvidgning
© Claus Lunau

3. Tyngdlös utvidgning kyler molnet

Chipsets magnetiska grepp försvagas och atommolnet utvidgas i tyngdlösheten. Det kyler ner den ytterligare, som gas som sprutar ut ur en sprejburk. Utvidgningen ska sätta köldrekord med 20 biljondelar av en grad över nollpunkten.

År 2020 lyckades man nå ner till 200 biljondelar av en grad över nollpunkten i Nasas så kallade Cold Atom Laboratory. Nästa steg blir att nå ända ner till 20 biljondelar av en grad över nollpunkten och upprätthålla tillståndet i fem sekunder. Det kommer att göra det möjligt att undersöka hur ultrakalla atomer beter sig strax över absoluta nollpunkten.