(Tegning: Lars Refn)
Massens mysterium
Heisenbergs usikkerhedsrelation og spontane symmetribrud i superledere er de redskaber, der skal til for at forklare oprindelsen til partiklers masse.
Fakta
Når seks forskere i dag anerkendes som ligeværdige opdagere af det samme, kan det forekomme underligt, at en enkelt forsker løber med hele æren i offentligheden.
Den britiske journalist Ian Sample fra The Guardian har beskrevet, at den koreanskfødte fysiker Benjamin Lee havde en samtale med Peter Higgs i 1967 om det, som nu kaldes Higgs-mekanismen. Da Lee i 1972 skulle rapportere til International Conference on High-Energy Physics i 1972 om emnet, havde han denne samtale i tankerne og brugte derfor Higgs' navn som en slags forkortelse i sin præsentation. Navnet bed sig fast, og Higgspartiklen var født.
Peter Higgs har selv ved en anden konference foreslået navnet 'ABEGHHKt'H-mekanismen' til ære for Anderson, Brout, Englert, Guralnik, Hagen, Higgs, Kibble og t'Hooft, som senere genopdagede mekanismen - men så er Higgs nok alligevel at foretrække.
Hvis Higgs-partiklen findes, vil den med sikkerhed kaste en nobelpris af sig. Kommer opdagelsen i slutningen af 2012, kan nobelprisen for Higgs-partiklen måske endda uddeles i 2014 i 50-året for dens forudsigelse.
Men det vil volde nobelkomiteen store hovedbrud at afgøre, hvem der skal modtage prisen. Reglerne siger nemlig, at nobelprisen i fysik kun kan deles af maksimalt tre personer, og den ikke kan tildeles posthumt.
Robert Brout døde sidste år, så af de seks teoretikere, der i 1964 forudsagde Higgs-partiklen, er der fem tilbage: Englert, Guralnik, Hagen, Higgs og Kibble foruden Anderson, som i 1962 tog det første tilløb. Anderson kan dog trøste sig med at have modtaget en nobelpris i 1977.
Hvis prisen skal gå til opdagelsen frem for forudsigelsen, er problemerne endnu større, for omkring 5.000 fysikere er involveret i de konsortier ved LHC, der har til opgave at finde Higgs-partiklen.
Læs også
-
Ung fysiker: Cern er charmerende på sin egen masochistiske måde
-
Higgs-partiklen i eksklusivt interview: »Jeg er meget ustabil«
-
Kvantemekanisk gennembrud: Fotonens vej gennem to spalter kortlagt
-
Overraskende sammenhæng mellem entanglement og usikkerhedsrelationen
Læs mere om
Hvorfor vejer en elefant mere end en mus?
Et godt svar kan være, at en elefant indeholder mere materiale eller flere atomer end en mus. Underforstået er dog så, at atomer vejer noget eller mere specifikt har masse. Et naturligt opfølgningsspørgsmål vil være, hvorfor det er tilfældet?
Vi kan på forskellig vis måle, at atomer har masse, men holder vi os udelukkende til en eksperimentel observation, så bliver svaret på spørgsmålet om, hvorfor en elefant vejer mere end en mus, jo blot, at det skyldes, at vi kan måle, det forholder sig sådan. Et sådant svar gør jo ingen meget klogere.
Man kan desuden tilføje, at det ikke generelt er sådan, at hvis vi fordobler antallet af partikler, så får vi mere masse. Hvis vi kunne lægge 1.000 fotoner på én vægtskål og 500 på en anden, så ville vægten stadig balancere, for 500 fotoner har lige så megen masse som 1.000 fotoner, nemlig nul.
Skal vi komme med et bedre svar på elefant-mus-spørgsmålet, må vi forklare, hvorfor atomer har masse.
De fleste ved, at atomer er opbygget af atomkerner bestående af protoner og neutroner, hvorom elektroner kredser, og at protoner og neutroner har meget større masse end elektroner. Så elefant-mus-spørgsmålet kan i første omgang reduceres til, hvorfor protoner og neutroner har masse.
Den megen omtale det seneste års tid af Large Hadron Collider og jagten på Higgs-partiklen vil sikkert få mange til at tænke, at det er her, vi skal finde det mere grundlæggende svar - for Higgs-partiklen omtales jo ofte som den partikel, der giver andre partikler masse.
Men Higgs-feltet og den tilknyttede partikel er kun en del af svaret på, hvorfor atomer har masse - og endda kun en meget lille del.
Partikelfysikerne roder med en hel zoologisk have af underlige partikler, hvoraf mange kun lever ganske kortvarigt, før de omdannes til andre partikler.
Der findes dog et system i galskaben. Systemet kaldes Standardmodellen, og den beskriver de udelelige elementarpartikler, som er indmaden i alle andre partikler.
Standardmodellen indeholder en lang række forskellige partikler, men hvis vi skal forklare hovedparten af det, som vi kan se og iagttage under normale forhold, er der faktisk kun brug for fem partikler. Tre stof-partikler: op-kvarken, ned-kvarken og elektronen samt to kraftoverførende partikler: fotonen og gluonen. Med disse bestanddele kan vi bygge atomer og lave elektromagnetisk stråling i form af lys.
Lad os i første omgang antage, at alle disse partikler er masseløse - selv om det som bekendt ikke er rigtigt i alle tilfælde, men det vender vi tilbage til senere.
I sin bog 'The lightness of being' forklarer nobelprismodtageren Frank Wilczek fra Massachusetts Institute of Technology på følgende måde, hvordan protoner og neutroner alligevel får masse:
Naturen er indrettet, så den altid søger mod den laveste energitilstand. Det er bl.a. den simple forklaring på, at vand løber nedad.
Når fysikerne aldrig ser en fri kvark, er det, fordi den bærer en særlig form for ladning, på samme måde som elektroner bærer elektrisk ladning. Kvarkens ladning kaldes farveladning, uden at dette ord skal tillægges nogen særlig betydning.
En farveladning har den egenskab, at det i princippet kræver uendelig energi at holde den isoleret fra andre farveladninger.
Naturens måde at omgå dette energiproblem på er at placere en antikvark ved siden af en kvark, så deres farveladninger udbalancerer hinanden.
Det er dog ikke muligt at opnå en eksakt udbalancering, for der findes en konkurrerende effekt. Kvarker er nemlig underlagt kvantemekanikkens love, og dermed også Heisenbergs usikkerhedsrelation.
Hvis de er tæt ved hinanden, kendes deres position med stor nøjagtighed, og derfor vil deres bevægelsesmængder være ubestemte. Det kræver, at de besidder energi.
Det kræver altså både høj energi at have en fri kvark og en antikvark meget tæt på en kvark. Systemet vil finde en tilstand, hvor energien af kvark-antikvark-systemer er mindst, men altså ikke nul.
I stedet for en kvark og en antikvark, kan tre kvarker også danne et system, hvor farveladningerne samlet set næsten udbalancerer hinanden. Det er det, der sker i protoner og neutroner, som begge er opbygget af tre kvarker med tre forskellige farveladninger.
Den kinetiske energi, som er knyttet til kvarkerne pga. Heisenbergs usikkerhedsrelation, kan via Einsteins formel omregnes til masse som m = E/c2.
En sådan forsimplet model, som går ud fra masseløse kvarker, vil redegøre for mere end 90 pct. af massen i protoner og neutroner.
Når elefanten har større masse end musen, så skyldes det altså, at den indeholder mange flere protoner og neutroner end musen, og at disse hver især indeholder energi i koncentreret form, der stammer fra kvarkernes kinetiske energi. Så simpelt er verden indrettet i grove træk.
Hvis vi skal have alle detaljer med i fortællingen om massen i universet, så må vi dog også forklare, hvorfor kvarker, elektroner og andre elementarpartikler har masse, selv om det altså i det store billede betyder mindre.
Det er her, Higgs kommer ind i billedet.
Nogle elementarpartikler har endog relativt stor masse. Topkvarken, der ikke indgår i almindeligt forekommende stof i universet, er eksempelvis hen ved 175 gangere tungere end protonen.
Særligt interessante er W- og Z-partiklerne, der indgår i beskrivelsen af den svage kernekraft, der bl.a. forklarer radioaktivt henfald. De er nemlig på mange måder sammenlignelige med fotonen, som er masseløs.
Både den svage kernekraft og elektromagnetisme beskrives med såkaldte gauge-teorier, hvis indbyggede symmetriregler fører til, at massen af de indgående partikler er nul.
Symmetrireglerne er bl.a. en betingelse for, at universets love er de samme i morgen i Aarhus, som de er i dag i København.
De to W-partikler med henholdsvis positiv og negativ elektrisk ladning, svarende til størrelsen af elektronens ladning, er opkaldt direkte efter den svage kernekraft (weak). Z-partiklen har fået sit navn, fordi den har nul ladning (zero).
Når den svage kernekraft kun mærkes på atomar skala, er det netop, fordi disse kraftoverførende partikler har masse, i modsætning til elektromagnetiske kræfter, som kan mærkes over store afstande, fordi fotonen er masseløs.
Det store spørgsmål er, hvordan de tunge W og Z-partikler kan være en konsekvens af en gauge-teori, der automatisk tilsiger, at partiklerne skulle være masseløse. Det er en modstrid, som en særlig mekanisme skal forklare.
Teorien er inspireret af teorien for superledning, som blev udviklet i 1957. Superledning forklares med symmetribrud. Selv om de fysiske love fundamentalt set er baseret på symmetrier, kan man komme i en situation, som det sker i mange metaller ved lave temperaturer, at symmetrien brydes. Det er det, der fører til, at den elektriske modstand falder til nul.
Men symmetribruddet i superledere har også en anden og mindre kendt effekt. Det fører nemlig til, at fotonen inde i superlederen får masse - eller mere korrekt, at en person, som befinder sig i en superleder, vil opfatte, at fotoner har masse.
Det er derfor nærliggende at antage, at en lignende form for symmetribrud kan medføre, at også W- og Z-partiklerne får masse.
Den amerikanske fysiker Philip Anderson fra Bell Laboratories var den første, som i 1962 beskrev en mekanisme, der vil give masse til partikler, der i princippet er masseløse. Det er dog passende at indskyde, at W- og Z-partiklerne ikke var i Andersons tanker, for de blev først forudsagt i 1968 og observeret i 1983, men principperne er de samme.
Anderson var interesseret i at beskrive massen af den såkaldte Goldstone-boson, studeret af bl.a. Yoichiro Nambu fra University og Chicago og Jeffrey Goldstone fra Cambridge University.
Det store gennembrud skete dog i 1964, hvor flere fysikere uafhængigt af hinanden samtidig fandt frem til, hvordan spontane symmetribrud kunne indgå i en fuldt relativistisk model.
Francois Englert og Robert Brout fra Bruxelles var de første, der publicerede - 31. august 1964. Peter Higgs fra Edinburgh fulgte efter med to artikler 15. september og 19. oktober. Endelig blev en artikel af Gerald Guralnik, Carl Richard Hagen og Tom Kibble fra London publiceret 16. november 1964.
I dag anerkendes det, at de to grupper og Peter Higgs arbejdede uafhængigt af hinanden og kom frem til en enslydende teori, der forklarer, hvorfor elementarpartiklerne har forskellig masse og nogen er masseløse.
Massen af W- og Z-partiklerne forklarer fysikerne altså med, at hele universet fungerer som en slags 'superleder'.
Ligesom almindelig superledning forsvinder, når temperaturen øges over en kritisk grænse, og fotoner så at sige genvinder deres masseløse form, så vil universet også miste sine egenskaber som 'superleder' for W og Z, når temperaturen bliver høj.
Det skønnes, at denne temperatur er omkring en million milliard grader (1015) kelvin. Over denne temperatur, som fandtes indtil ca. 0,1 nanosekunder efter Big Bang, var den svage kernekraft og den elektromagnetiske kraft forenet i en fælles elektrosvag-kraft, og de kraftoverførende partikler var alle masseløse.
Teorien kan underbygges, hvis man observerer den partikel, som er forbundet med det såkaldte Higgsfelt, som skaber 'superlederen' og udfylder hele universet. I løbet af 2012 ved vi med sikkerhed, om Higgs-partiklen findes eller ej.
Målingerne ved LHC i 2011 giver gode forhåbninger for, at det er tilfældet, og for at fysikerne snart kan erklære massens mysterium for endeligt løst.
