Higgspartiklers parløb kan røbe al masses oprindelse

I alle afkroge af universet arbejder higgspartikler sammen og giver alle atomernes dele masse. Nu vil fysikere producere partiklerne i par for at afsløre, hvordan teamworket gav stof sejren over antistof lige efter big bang.

Michael Hoch/Maximilien Brice

Et netværk af higgspartikler omslutter hele universet fra de fjerneste galakser til menneskets inderste celler.

Selvom det hverken er synligt eller direkte målbart, er det såkaldte higgsfelt med sikkerhed stabilt – ellers ville Jorden blive vægtløs med jævne mellemrum.

Higgsfeltet har siden universets begyndelse konstant været tændt og sikrer, at alle atomernes byggesten – fx kvarker og elektroner – har masse.

Men hvordan massefeltet fungerer, har naget fysikere, siden higgspartiklen første gang dukkede op i deres detektorer i 2012.

Fysikere på CERN vil afsløre feltets hemmelighed ved at producere higgspartikler i par og undersøge, hvordan de reagerer med hinanden.

Produktionen begynder, når en opdateret udgave af den store Large Hadron Collider, LHC, står klar i 2021 efter to års opgradering af detektorerne.

Da vil fysikerne kunne løse gåden om, hvorfor alt har masse. Samtidig kan higgsparrene åbne en sprække ind i det mørke stofs verden.

Den 14.000 tons tunge detektor Compact Muon Solenoid, CMS, er under ombygning for bedre at kunne finde higgspartikler i par

© Michael Hoch/Maximilien Brice

Parløb holder higgsfeltet tændt

Selvom ingen endnu har undersøgt higgsfeltets natur, har fysikerne en idé om, hvordan netværket virker, baseret på fysiske teorier.

Higgsfeltet giver reelt set partiklerne energi, og ifølge Albert Einsteins velkendte ligning, E = mc2, er energi lig med masse.

Higgsfeltet kan sammenlignes med et elektrisk felt mellem en positivt og en negativt ladet elektrode med én afgørende forskel: Et elektrisk felt forsvinder, når spændingsforskellen mellem elektroderne udlignes.

Massefeltet er til gengæld tændt i hele universet til evig tid, fordi higgspartiklerne ustandseligt reagerer med hinanden. Reaktionerne opretholder feltets ladning, der giver elementarpartiklerne deres masse.

Alle atomernes bestanddele med masse interagerer forskelligt med higgsfeltet. Fx er kvarker koblet kraftigt til feltet og er derfor tunge. Elektroners kobling er svagere, og partiklerne lettere.

Hvordan higgspartiklernes reaktioner holder feltet tændt konstant, er uvist, men det skal LHC finde ud af.

Hyppigt henfald forærer ledetråd

Sandsynligvis har LHC allerede dannet omkring tusind higgspartikel-par, men de er så sjældne, at de drukner i støjen fra byger af partikler, som billioner af kollisioner har frembragt siden forsøgenes start i 2010. Men en ny opdagelse øger optimismen.

Da fysikerne fandt higgspartiklen i 2012, blev den afsløret af et sjældent henfald til to energirige gammafotoner.

Men sidste år så fysikerne en higgspartikel, der henfaldt til to tunge bundkvarker, som kun kan produceres ved energirige protonsammenstød i fx LHC. Den type henfald menes at indtræffe i 60 procent af de tilfælde, hvor LHC danner en individuel higgspartikel.

Det samme vil være tilfældet, når higgspartiklerne bliver produceret i par. Derfor ved fysikerne nu, hvad de skal lede efter for at finde higgspar i de enorme datamængder: den samtidige dannelse af fire bundkvarker.

Ledetråden styrker håbet om, at LHC i sin levetid frem til 2035 kan afsløre higgspartiklernes hemmelige parløb og fastslå, hvordan de skaber det evige, universelle massefelt.

Accelerator bliver rustet til jagten på higgspar

Accelerator bliver rustet til jagten på higgspar

Når protonerne (diagonale rør, jf. billedet) i partikelacceleratoren Large Hadron Collider brager sammen med en energi på 13 billioner elektronvolt, opstår der teoretisk set et higgspar (gule figurer) for hver to tusind individuelle higgspartikler.

Higgsparene bliver afsløret af de fire kvarker (grå kegler), som parrene ofte henfalder til.

Den sjældne forekomst har gjort det umuligt at fastslå parproduktionen med sikkerhed. I 2016 fandt den store ATLAS-detektor et muligt higgspar, som giver fysikerne en idé om, hvad de skal lede efter.

For at skærpe jagten bliver LHC forbedret ad to omgange. Inden de næste forsøg i 2021 bliver detektorerne opgraderet, så de bedre kan finde flere higgspar.

Selve acceleratoren bliver justeret i årene 2024-2025, så kollisionsraten tidobles til ti milliarder protonsammenstød i sekundet, der vil øge chancen for at producere higgspar.

Higgspar røber ursuppes opskrift

LHC har tidligere frembragt universets ursuppe, som eksisterede omkring et mikrosekund efter skabelsen. Men higgsparrene kan gå endnu et mikroskopisk skridt tilbage og genskabe selve dannelsen af ursuppen, hvor higgsfeltet opstod, en billiontedel af et sekund efter big bang.

Inden da havde det dugfriske univers ifølge teorien udvidet sig hurtigere end lyset i en ultrakort periode, inflationen. Den eksplosive udvidelse blev drevet af hypotetiske partikler kaldet inflatoner.

Da higgsfeltet opstod, skete der en faseovergang, som når damp nedkøles til flydende vand, og feltet omsatte øjeblikkeligt inflatonernes energi til masse i form af kvarkerne og antikvarkerne i ursuppen.

Hvis det lykkes at producere nok higgspar og afsløre, hvordan partiklerne samarbejder, kan fysikerne beregne energitætheden i det oprindelige higgsfelt og få ny viden om, hvor voldsom faseovergangen var.

Hvis dannelsen af det oprindelige higgsfelt udløste en ekstremt voldsom faseovergang, kan det have skabt en ustabilitet, som muligvis rummer forklaringen på, at alle universets galakser består af stof.

Stoffets sejr over antistoffet har været en gåde gennem årtier. Ifølge den fysiske teori blev der dannet præcis lige mange kvarker og antikvarker, men i så fald ville universets myriader af galakser ikke eksistere. For når stof og antistof mødes, udsletter partiklerne hinanden.

Derfor må der for hver en milliard antikvarker være blevet dannet omkring en milliard og en kvark. De overlevende kvarker dannede siden de første atomer.

Higgsfeltet skabte stoffet lige efter big bang

En billiontedel af et sekund efter big bang slog higgsfeltet til og gav masse til både stof og antistof. Nu vil fysikerne genskabe det øjeblik, feltet opstod, for at forstå, hvorfor antipartiklerne tabte kampen, og alle kendte galakser består af stof.

Higgsfeltet skabte stoffet lige efter big bang

1. Universet vokser

Efter ureksplosionen, big bang, begynder inflationen, hvor det nyfødte univers udvider sig hurtigere end lysets hastighed.

Da inflationen stopper en billiontedel af et sekund efter big bang, indgår energien fra udvidelsen i en faseovergang, der skaber universets ursuppe.

Higgsfeltet skabte stoffet lige efter big bang

2. Higgsfeltet tænder

Faseovergangen slår higgsfeltet til i hele universet, som er på størrelse med en fodbold.

Feltet giver straks masse til kvarker og deres antipartikler, antikvarker, som sammen med masseløse kraftpartikler, gluoner, udgør ursuppen.

Når kvarker og antikvarker mødes, udsletter de hinanden.

Higgsfeltet skabte stoffet lige efter big bang

3. Stof slår antistof

Hvis faseovergangen er voldsom, skaber den en ustabilitet, som danner flere kvarker end antikvarker.

Gluoner kobler de overskydende kvarker tre og tre i protoner og neutroner, der bliver til atomer og galakser.

Reaktioner mellem par af higgspartikler skal nu vise, hvordan faseovergangen var.

Mørke higgspartikler i spil

Higgspartiklerne og deres massefelt blev for årtier siden tilføjet fysikkens standardmodel for at forklare, hvordan alle atomare byggesten får deres masser. Da forsøgene på LHC producerede higgspartiklen, blev standardmodellen definitivt bevist.

Men modellen er hullet og kan fx ikke forklare det mørke stof, som astronomerne mener udgør 85 procent af den samlede masse i galakserne.

Par af higgspartikler kan imidlertid åbne en dør på klem til det mørke stofs skjulte verden.

Nye fysiske teorier om alting indebærer, at der findes ukendte tvillinger til standardmodellens higgspartikel, og at en af disse tvillinger skaber et mørkt massefelt, der giver det mørke stof masse. Hvis tvillingerne til higgspartiklen findes, vil fysikerne med den opdaterede LHC finde op til seks gange flere higgspar end standardmodellens bud.

Afvigelsen vil være et stærkt indirekte bevis på det mørke stofs eksistens.

Gigantisk accelerator klar i 2040'erne

Hvis ikke LHC kan producere nok par af higgspartikler, står Future Circular Collider i 2040’erne klar til at tage over. Den gigantiske accelerator kan smadre protoner sammen syv gange kraftigere end LHC og producere mindst 40 gange flere higgspar.

Dermed får fysikerne langt bedre muligheder for at løse gåden om stoffets sejr over antistoffet, det mørke stofs eksistens, og hvorfor atomernes enkeltdele har masse – i galakser, i Solen og i mennesker.

Læs også:

Partikler

Hvilken partikel er den mindste?

1 minut
Partikler

Har neutrinoer masse?

0 minutter
Kosmisk stråling
Partikler

Sorte huller skyder på dig konstant

3 minutter

Log ind

Fejl: Ugyldig e-mailadresse
Adgangskode er påkrævet
VisSkjul

Allerede abonnement? Har du allerede et abonnement på magasinet? Klik hér

Ny bruger? Få adgang nu!