Higgs­partiklars pardans avslöjar massans ursprung

I alla delar av universum samverkar Higgs­partiklar för att ge atomernas alla delar massa. Fysiker vill nu producera partiklarna i par för att avslöja hur samarbetet gav materia segern över antimateria direkt efter stora smällen.

Michael Hoch/Maximilien Brice

Ett nätverk av Higgspartiklar omsluter hela universum från de mest avlägsna galaxerna till människans innersta celler.

Trots att det varken är synligt eller direkt mätbart är det så kallade Higgsfältet med all säkerhet stabilt – annars skulle jorden med jämna mellanrum bli viktlös.

Higgsfältet har sedan universums begynnelse konstant varit aktivt och säkerställer att alla atomernas byggstenar – som kvarkar och elektroner – har massa. Exakt hur massafältet egentligen fungerar har gäckat fysiker sedan Higgs­partikeln dök upp i deras detektorer första gången år 2012.

Nu vill fysiker på CERN avslöja fältets hemlighet med par av Higgspartiklar och undersöka hur de reagerar med varandra.

Produktionen börjar när en uppdaterad version av Large Hadron Collider, LHC, står klar 2021 efter två års uppgradering av detektorerna.

Fysikerna kan då lösa gåtan om varför allting har massa. Samtidigt kan Higgsparen ge en glimt in i den mörka materians värld.

Den 14 000 ton tunga detektorn Compact Muon Solenoid, CMS, byggs om för att enklare kunna hitta Higgs­partiklar i par.

© Michael Hoch/Maximilien Brice

Pardans håller Higgsfältet aktivt

Trots att Higgsfältets natur ännu inte är känt finns det en teori.

Partiklarna får i praktiken sin energi av Higgsfältet, och enligt Albert Einsteins välkända formel, E=mc2, är energi lika med massa.

Higgsfältet är som ett fält mellan en positiv och en negativ elektrod – med en avgörande skillnad: Ett elektriskt fält försvinner när spänningsskillnaden mellan elektroderna jämnas ut.

Massafältet är tvärtom aktivt i hela universum och för all evighet eftersom Higgspartiklarna hela tiden reagerar med varandra.

Reaktionerna upprätthåller Higgsfältets laddning och det är denna som gör att elementarpartiklarna får sin massa.

Alla atomernas beståndsdelar med massa reagerar olika på Higgsfältet. Exempelvis har kvarkar en kraftig koppling till fältet och är därför tunga. Elektroners koppling är svagare och partiklarna lättare.

Det är oklart hur Higgspartiklarnas reaktioner håller fältet konstant aktivt men det ska forskarna nu alltså ta reda på med hjälp av LHC.

Sönderfall ger ledtråd

LHC har sannolikt redan bildat cirka tusen par av Higgspartiklar, men de är så sällsynta att de drunknar i bruset från moln av partiklar som miljarder kollisioner har producerat sedan försöken började 2010.

En ny upptäckt ger dock mer hopp. När fysikerna hittade Higgspartikeln 2012 avslöjades den av ett sällsynt sönderfall till två energirika gammafotoner.

2018 upptäckte fysikerna dock en Higgspartikel som sönderfallit till två tunga bottenkvarkar, vilka bara kan produceras vid protonkollisioner med hög energi i till exempel LHC.

Den typen av sönderfall antas kunna inträffa i 60 procent av de fall då LHC bildar Higgspartiklar. Detsamma skulle vara fallet när Higgspartiklarna produceras i par. Därför vet fysikerna nu vad de ska leta efter för att hitta Higgs­par i de enorma datamängderna: Det samtidiga bildandet av fyra bottenkvarkar.

Detta stärker hoppet om att LHC under sin livstid fram till 2035 kan avslöja Higgspartiklarnas hemliga pardans och visa hur de skapar det eviga, universella massafältet.

Accelerator bliver rustet til jagten på higgspar

Accelerator rustas upp inför jakten på Higgs­par

När protonerna (de diagonala rör du ser på bilden) i partikelacceleratorn Large Hadron Collider kolliderar med varandra med en energi på 13 biljoner elektronvolt, uppstår teoretiskt sett ett Higgspar (gula figurer) per två tusen individuella Higgspartiklar.

Higgsparen avslöjas av de fyra kvarkar (grå koner), som paren ofta sönderfaller till.

Den sällsynta förekomsten har gjort det omöjligt att med säkerhet fastslå att paren existerar. 2016 upptäckte den stora ATLAS-detektorn ett möjligt Higgspar, vilket har gett fysikerna en idé om vad de ska leta efter.

För att underlätta jakten förbättras LHC i två omgångar. Innan det är dags för nästa försök 2021 uppgraderas detektorerna så att de ska kunna hitta fler Higgspar.

Själva acceleratorn justeras 2024–2025 för att tiodubbla kollisionsfrekvensen till tio miljarder protonkollisioner per sekund, vilket ökar chansen för att Higgspar produceras.

Avslöjar ursoppans recept

LHC har tidigare producerat universums ursoppa som fanns i cirka en mikrosekund efter skapelsen. Higgs­paren kan dock ta ännu ett mikroskopiska steg tillbaka och återskapa själva bildandet av ursoppan, där Higgs­fältet uppstod, en miljarddel av en sekund efter stora smällen.

Dessförinnan hade det späda universum enligt teorin utvidgat sig snabbare än ljuset under en ultrakort period: Inflationen. Den explosiva utvidgningen drevs av hypotetiska partiklar som kallas inflatoner.

När Higgsfältet uppstod inträffade en fasövergång, som när ånga kyls ned till flytande vatten, och fältet omsatte omedelbart inflatonernas energi till massa i form av kvarkarna och antikvarkarna i ursoppan.

Om man lyckas producera Higgspar och avslöja hur partiklarna samverkar kan man beräkna energitätheten i det ursprungliga Higgsfältet och se hur våldsam fasövergången var.

Om bildandet av det ursprungliga Higgs­fältet utlöste en extremt våldsam fas-övergång kan det ha skapat en instabilitet som kan förklara varför alla universums galaxer består av materia.

Materians seger över antimateria har länge varit en gåta. Enligt den fysiska teorin bildades kvarkar och antikvarkar i samma mängd, men då skulle universums myriader av galaxer inte existera.

När materia och antimateria möts utraderar de nämligen varandra. Därför måste det ha bildats fler kvarkar än antikvarkar. De överlevande kvarkarna bildade sedan de första atomerna.

Higgs­fältet skapade materia direkt efter stora smällen

En miljarddel av en sekund efter stora smällen slog Higgsfältet till och gav massa till både materia och antimateria. Nu vill fysikerna återskapa det ögonblick då fältet uppstod för att förstå varför antipartiklarna förlorade kampen och varför alla kända galaxer består av materia.

Higgsfeltet skabte stoffet lige efter big bang

1. Universum växer

Efter urexplosionen, stora smällen, börjar inflationen där det nyfödda universum utvidgar sig snabbare än ljusets hastighet.

Eftersom inflationen slutar en miljarddel av en sekund efter stora smällen ingår energin från utvidgningen i en fasövergång som skapar universums ursoppa.

Higgsfeltet skabte stoffet lige efter big bang

2. Higgs­fält aktiveras

Fasövergången aktiverar Higgs­fältet i hela universum, som är stort som en fotboll.

Fältet ger direkt massa till kvarkar och deras antipartiklar, antikvarkar, som tillsammans med massalösa kraftpartiklar, gluoner, utgör ursoppan.

När kvarkar och antikvarkar möts utraderar de varandra.

Higgsfeltet skabte stoffet lige efter big bang

3. Materia slår antimateria

Om fasövergången är våldsam skapar den en instabilitet som bildar fler kvarkar än antikvarkar.

Gluoner kopplar ihop de överskjutande kvarkarna tre och tre i protoner och neutroner som blir till atomer och galaxer.

Reaktioner mellan par av Higgspartiklar ska nu visa hur fasövergången fungerade.

Mörka Higgspartiklar

Higgspartiklar och deras massafält adderades i fysikens standardmodell för att förklara hur alla atomära byggstenar får sina massor.

Standardmodellen bevisades definitivt när LHC producerade Higgspartikeln. Modellen har dock luckor och förklarar bland annat inte den mörka materia som enligt astronomerna utgör 85 procent av galaxernas samlade massa.

Par av Higgspartiklar kan dock glänta på dörren till den mörka materians dolda värld.

Nya fysiska teorier om allting innebär att det finns okända tvillingar till standardmodellens Higgspartikel, och att en av dessa skapar ett mörkt massafält som ger den mörka materian massa.

Om Higgspartikelns tvilling finns kan fysikerna använda den uppdaterade LHC för att hitta upp till sex gånger flera Higgs­par än standardmodellen visar. Avvikelsen är ett starkt indirekt bevis på att den mörka materian finns.

Gigantisk accelerator klar på 2040-talet

Om LHC inte kan producera tillräckligt många par av Higgspartiklar tar Future Circular Collider över runt år 2040. Den gigantiska acceleratorn kan slå ihop protoner med sju gånger mer kraft än LHC och producera minst 40 gånger fler Higgspar.

Det ger fysikerna bättre möjlighet att lösa gåtan om materians seger över antimateria, mörk materias existens och varför atomernas beståndsdelar har massa – i galaxer, i solen och i människor.

Läs också:

Partiklar

Har neutriner massa?

0 minuter
Partiklar

Iskalla atomer ska hitta mörk energi

1 minut
European XFEL
Partiklar

Röntgenlaser ska ge oss medicin utan biverkningar

1 minut

Logga in

Fel: Ogiltig e-postadress
Lösenord behövs
VisaDölj

Redan prenumerant? Prenumererar du redan på tidningen? Klicka här

Ny användare? Få åtkomst nu!