HIGGS-partikkelen
I juli, i det store auditoriet på Cern i Sveits, kunne vi følge med når unge, entusiastiske mennesker kledd i nasjonale farger jublet da man offentliggjorde oppdagelsen av en ny partikkel, det som kan være Higgs-partikkelen. Higgs-partikkelen kan forklare et av Universets største mysterier: Mysteriet om hvorfor partikler har masse. Higgs-boson er også den siste elementærpartikkelen fra den såkalte Standardmodellen. Da er vel alt forstått? Den siste puslespillbrikken er funnet. Nei, langt ifra, den siste puslespillbrikken i Standardmodellen er samtidig den første brikken til et helt nytt puslespill og med mulig langt flere brikker.
Jubelen fra auditoriumet på Cern er altså todelt. For det første for å feire oppdagelsen av en ny elementær partikkel, den første oppdagelsen av et elementært boson siden oppdagelsen av Z og W ved Cern-laboratoriet i Sveits siden i 1983. En enorm oppdagelse i seg selv så kort tid etter LHC-start. I ukene, månedene og årene framover skal fysikere måle egenskapene til denne nyoppdagede partikkelen.
For det andre gir denne partikkelen ny viktig informasjon om store uløste spørsmål i fysikken. Egenskapene til denne partikkelen kan gi en større forståelse av partikkelfysikk langt utover det som beskrives av dagens teori. En av de mest interessante nye modellene er Supersymmetri. Denne modellen forutsier faktisk at massen til Higgs-partikkelen er akkurat i det området der Atlas og CMS har målt at den er. Supersymmetri forutser også eksistensen til andre partikler og en av dem, den letteste supersymmetriske partikkelen, kan kanskje til og med forklare et helt annet masseproblem og et muligens enda større mysterium, nemlig mørk materie i universet.
Det har vært klart i lengre tid at det universet vi observerer (stjerner, planeter, støv og tyngre elementer) bare er 4 prosent av det totale universet. Resten er ukjent. Rundt 22 prosent av universet består av en ny type stoff, eller tyngre stabile partikler som man kaller mørk materie. Problemet er at ingen ennå har observert slike partikler. Hintet om hvilken masse Higgs-partikkelen kan ha, gir oss også et hint om at LHC kanskje kan produsere slike mørk materie partikler. Og enda viktigere, kanskje dette kan skje veldig snart.
Hvis vi lykkes å produsere disse mørk materie partikler i kontrollerte kollisjoner ved LHC kan vi studere dem ved hjelp store detektorer, for eksempel Atlas, på samme måte som for Higgs-partikkelen. Dette er noe av det partikkelfysikere i Bergen, Trondheim og Oslo jobber med. Men man kan også lete etter mørk materie med andre typer av eksperimenter som prøver å registrere signaler av mørk materie som er rund oss til enhver tid. For eksempel kan to mørke materie-partikler som treffes i verdensrommet ødelegge hverandre og lage et tydelig signal som treffer jorda og som vi kan observere og rekonstruere ved store teleskoper.
Cherenkov Teleskop Array, er et slikt stort teleskop på bakken som studerer fotoner fra kosmiske stråler fra verdensrommet. CTA-teleskopet skal bygge om et par år, og er etterfølgeren til Hess-teleskopet som ligger i Namibia og som i dag studerer data fra verdensrommet. Andre eksperimenter leter etter bevegelser i atomkjerner fra vekselvirkning med mørk materie partikler som går forbi. Slike detektorer er typisk bygget i gruvesjakter under bakken.
Uansett hvilke metoder man bruker for å lete etter hva mørk materie må man kombinere resultater fra forskjellige områder for å bli sikre på hva man ser. Ved Institutt for Fysikk og Teknologi Universitet i Bergen har vi også satset spesielt på denne typen forskning ved å opprette et første senter for mørk materie, et pilotprosjekt, som jobber både med data fra Atlas og LHC og med data fra astropartikkelfysikk og med å kombinere disse. Forskere i Bergen deltar også i CTA-kollaborasjonen.
Higgs partikkelen er også knyttet til enda mer mystisk problem. Idéen bak Higgs-mekanismen er at fundamentale partikler får masse ved å knytte seg til et Higgsfelt som fyller hele rommet. Vi kan faktisk beregne med hvilken energi-tetthet Higgs-feltet fyller rommet rundt oss og med oppdagelsen av Higgs-partikkelen blir dette resultatet plutselig veldig aktuelt. Problemet er at en slik «vakum-energi» blir veldig stor. Mange milliarder milliarder ganger større enn den «vakum-energien» som trengs for å akselerere ekspansjonen av Universet, en størrelse som har blitt målt i astrofysiske eksperimenter. Fysikere tror nå at det er 76 prosent av mass-energien i Universets kan være en slik «mørk energi» som kan være knyttet til Higgsfeltet.
Cerns nye resultater har allerede åpnet døra inn til en ny uoppdaget verden. Vi står på terskelen til en fundamental ny forståelse av universet, og detaljerte studier av denne nye partikkelen kommer til å vise oss veien videre. På samme måte som Columbus og andre oppdagelsesreisende reiste avgårde med ufullstendige kart over verden, har vi i fysikken nå for første gang fått en antydning av hvor veien går.
Anna Lipniacka
Heidi Sandaker
Fysikere og Cern-forskere ved Universitetet i Bergen