Sådan forestiller fysikernes hos CMS-projektet sig, at det vil se ud, når Higgs-bosonen viser sig. To protoner støder sammen og går i stykker - en Higgs-boson dukker op mellem stumperne og henfalder til to stråler af hadroner og to elektroner. De gule linjer viser de sandsynlige retninger efter proton-sammenstødet, og de blå klatter er energiudladninger. (Grafik: Cern)
Higgs-partiklen i eksklusivt interview: »Jeg er meget ustabil«
Cern-forskerne rapporterede tirsdag, at de omsider har set spor af eksistensen af Higgs-partiklen. Ingeniøren bringer her et eksklusivt interview med den sagnomspundne partikel.
Tema
Læs også
-
Higgs-partiklen har en masse på 125 GeV – hvis den altså findes
Læs mere om
Cern fremlagde i denne uge målinger, der skaber udbredt forventning om, at forskningsinstitutionens forskere næste år med sikkerhed kan erklære jagten på Higgs-partiklen for afsluttet.
Med udgangspunkt i blogs fra kendte fysikere som Peter Woit, Matt Strassler, Philip Gibbs, Adam Falkowski og Tommaso Dorigo har vi formuleret nogle spørgsmål, som vi har haft en enestående mulighed for at stille til Higgs-partiklen selv.
Hvorfor hedder du egentlig Higgs-partiklen?
»Det er også noget, I kun kalder mig her på Jorden. Andre steder i universet har jeg fået helt andre navne. Mit jordnavn er til ære for den nu 82-årige professor Peter Higgs fra University of Edinburgh, der var blandt de første til at opstille en teori, der forudsagde min eksistens. Det skete i 1960’erne.«
»Der var nu mange andre forskere med til at formulere lignende tanker og teorier. Men jeg fik altså navn efter Peter Higgs – og det er et meget godt navn, synes jeg selv.«
Hvem er du så?
»Jeg er kort fortalt den partikel, der er tilknyttet Higgs-feltet på samme måde, som fotonen er partiklen, der er tilknyttet det elektromagnetiske felt. Higgs-feltet er et felt, der findes overalt i universet. Det har ingen retning som et elektrisk eller magnetisk felt, men udelukkende en bestemt størrelse.«
»Partiklerne i fysikernes Standardmodel, herunder mine partikelkollegaer kvarker, elektronen og fotonen, kobler på forskellige måde til Higgs-feltet. Fotonen mærker slet ikke feltet og er derfor masseløs. De forskellige kvarker og elektronen mærker feltet på forskellig vis og har derfor forskellig masse.«
Selv om Ingeniøren altså her interviewer 'hovedpersonen' selv, så skal det retfærdigvis nævnes, at forskerne på Cern endnu mangler det endelige bevis for eksistensen af, at partiklen eksisterer. Men deres målinger og analyser af data for 2011 viser, at der kun er en omkring én procent chance for, at Higgs-partiklen ikke findes, og at dens masse vil være i omegnen af 125 gigaelektronvolt.
Forskerne udtaler sig så skråsikkert, fordi detektorerne Atlas og CMS, som arbejder uafhængigt af hinanden, har gjort de samme observationer.
Hvad betyder det, at din masse er ca. 125 GeV?
»Rundt omkring i universet bruger man mange forskellige enheder for masse og energi. Her på Jorden ved jeg, at I har vedtaget, at masse måles i kilogram, og energi måles i joule. Men mine mange besøg på Cern har lært mig, at jeres partikelfysikere har en svaghed for også at måle masse i energienheder og bruge energienheden elektronvolt, som er den energi, en elektron får, når den accelereres med en spændingsforskel på en volt.«
»Så når min masse angives til 125 GeV (gigaelektronvolt), så menes der egentlig 125 GeV/c^2, hvor c er lysets hastighed i vakuum. Det svarer til 2,24x 10^-25 kg eller det samme som massen af 123 protoner eller det samme som massen af et cæsiumatom.«
Hvorfor er det så interessant at kende din masse?
»Min eksistens har som nævnt været forudsagt gennem næsten 50 år, men min masse har ikke været forudsagt, idet den er en såkaldt fri parameter i henhold til teorien, som Peter Higgs og andre har formuleret.«
»Når min masse er bestemt med større præcision end dette års målinger på Cern, kan jeres fysikere bruge det til at bestemme min levetid og den måde, jeg vekselvirker med andre partikler på.«
»Jeg har ladet mig fortælle, at en mere nøjagtig bestemmelse af min masse vil vise den retning, fysikforskningen på Jorden vil tage i fremtiden. Jeg glæder mig til at kunne yde et beskedent bidrag til det.«
Hvorfor har du været så svær at detektere?
»En af jeres allermest berømte fysikere, Albert Einstein, opstillede en formel, E= mc^2, der viser, at det kræver megen energi at danne tunge partikler – og jeg er meget tung i forhold til de fleste andre partikler.«
»Topkvarken, som blev opdaget i 1995, er dog en ordentlig kleppert på hele 173 GeV, har jeg hørt.«
Topkvarken er den tungeste af de seks kvarker, der er indmaden i partikler som protoner, neutroner og mere eksotiske partikler, der eksempelvis dannes ved sammenstød i partikelacceleratorer.
»To andre partikelacceleratorer, Tevatron i USA og LHC’s forgænger ved Cern, LEP, har ikke været kraftige nok til, at jeg kunne dannes og detekteres, men de har været med til at sætte en nedre grænse for, hvilken masse jeg kan have. Derfor har LHC søgt efter mig med en masse over 114 GeV – igen regnet i de energienheder, som fysikerne normalt foretrækker at bruge.«
Hvordan dannes du i acceleratoren?
»Det sker ofte ved en proces, som kaldes gluon fusion, hvor to gluoner, som overfører den stærke kernekraft, fusionerer med hjælp fra den tungeste af de seks forskellige kvarker, topkvarken, der indgår som en slags katalysator.«
»Ud af dette opstår jeg pludselig. Men for at det kan ske, skal protonerne i sammenstødene have megen energi. Energien har i år været på 7.000 GeV ved sammenstød mellem to protoner, der kolliderer direkte mod hinanden.«
7.000 GeV er meget i acceleratorsammenhæng, idet en proton i hvile kun har en energi på 0,938 GeV. Men i sammenligning med de energimængder, vi kender fra det daglige, er det uhyre lidt. Det svarer kun til ca. 1 mikrojoule eller 30 nanowatttimer – eller energimængden, der kan holde en 10 watt pære tændt i ca. 10 mikrosekunder.
Har forskerne haft mulighed for se dig direkte?
»Nej, slet ikke. Jeg bliver aldrig direkte synlig, for jeg er meget ustabil. Min levetid måles i titusindedele attosekunder (et attosekund er 10^-18 sekunder, red.).«
Hvorfor er du så ustabil?
»Det er ikke overraskende, at jeg er ustabil, for naturens hovedregel er, at partikler er ustabile. Kun meget få partikler er helt stabile. Jeg kan røbe, at det gælder gravitoner, fotoner, elektroner, protoner og mindst en type neutrino. Neutroner er desuden stabile inde i atomkernen, men ustabile uden for, hvor de i gennemsnit efter 15 minutter omdannes til en proton, en elektron og en antineutrino.«
»Higgs-partiklens forklaring tager igen udgangspunkt i Einsteins formel E= mc^2, der knytter energi og masse sammen. Det er ikke ukendt i andre sammenhænge, at energi kan omfordeles på nye måder.«
»Bølger på havet og vibrationer på en streng er ikke stabile, deres energi vil gradvist omdannes til andre former. Det er i princippet det samme, der sker, når en partikel henfalder til andre partikler. Forskellen er blot, at omdannelsen ikke sker gradvist, men øjeblikkeligt efter kvantemekanikkens regler.«
»Der findes en lang række regler for, hvordan partikler kan henfalde, og det er også disse regler, der forklarer, hvorfor enkelte partikler ikke kan henfalde til andre.«
Hvordan henfalder du?
»Jeg foretrækker at henfalde til to b-kvarker.«
»Da der dannes mange b-kvarker med partikelsammenstødene, giver det mig god mulighed for at leve i skjul. Det er nemlig meget svært at spore mit henfald i partikeldetektorerne på denne måde. Sporene fra mit henfald drukner simpelthen i mængden af andre b-kvarker.«
»Det er jo derfor, at jeres fysikere først og fremmest leder efter tre andre former for henfald, som jeg også udsættes for.«
»For det første kan jeg henfalde direkte til to fotoner.«
»For det andet kan jeg henfalde jeg til to W-partikler med modsat ladning. Hver af disse henfalder til en elektron eller myon og en tilknyttet neutrino, så der i alt fremkommer to leptoner og to neutrinoer.«
»For det tredje kan henfalde jeg til to neutrale Z-partikler. Disse henfalder hver især til to elektroner eller myoner med modsat ladning, så der i alt kommer fire leptoner.«
»W- og Z-partiklerer knyttet til den svage kernekraft. Elektroner og myoner er begge leptoner.«
Hvordan blev du egentligt detekteret?
»Det reneste henfald, der er lettest at adskille fra andre hændelser ved proton-proton-sammenstødene i LHC, opstår, når jeg henfalder til to fotoner.«
»Denne form for henfald sker dog typisk kun en gang, for hver 500 gange Higgs-partikler henfalder. Fotonernes retning bort fra sammenstødet og deres energi bliver registreret i de enorme detektorer, Atlas og CMS, som udfører deres målinger og analyser uafhængigt af hinanden.«
»Det er flere former for henfald, fysikerne har brugt som et tegn på min eksistens, men det er foton-foton-henfaldet, der med størst præcision fastlægger min masse til ca. 125 GeV.«
Til slut vil jeg gerne høre om dit kendskab til supersymmetri og ekstra dimensioner, som er ivrigt debatterede emner blandt fysikerne!
»Det vil jeg gerne svare på ved en anden lejlighed. Jeg tror desværre, vi må afslutte interviewet her. Jeg kan mærke, at jeg er ved at henfalde til to fotoner.«
Farvel og tak. Vi tales ved i 2012, når Cern tænder for LHC igen.
