Annons

Fysik: Materiens byggstenar föll på plats

En 24-årig doktorand och hans professor räddade 1971 partikelfysiken från matematiskt sammanbrott. Nu belönas holländarna Gerard ‘t Hooft och Martin Veltman med Nobelpriset i fysik.

När Martin Veltman 1966 tillträdde som professor vid universitetet i Utrecht framstod partikelfysiken som allt snårigare. I djungeln fanns visserligen mönster; Alla grundämnen var uppbyggda av atomer, atomerna av atomkärnor omgivna av elektroner, och atomkärnorna av protoner och neutroner. Protonerna och neutronerna tycktes i sin tur bestå av ännu mindre delar: kvarkar. Tillsammans med elektronerna var det de minsta byggstenar man kände till. Och allt styrdes av fyra krafter: gravitation, elektromagnetism, den svaga och den starka kraften. I sin tur hade alla krafter sina egna, speciella kraftpartiklar - bosoner. Naturens krafter tycktes fungera genom ett ständigt bollande av sådana här bosoner mellan de vanliga partiklarna.

Bubblande vakuum

Men bosonerna ställde till besvär. Materiapartiklar bollar inte enbart bosoner sinsemellan, som i en tennismatch. De bollar också bosoner med sig själva. Det är som om materien bedriver en ständig soloträning, med bosoner fastsatta i gummiband vid racketen.

I själva verket omges alla materiapartiklar av hela svärmar av bosoner. Idén bär namnet kvantfältteori. Kvanta betyder på fysikerspråk detsamma som partikel. Rymden genomkorsas av kvantfält som svarar mot de fyra krafterna. Det finns inget absolut vacuum. Kraftpartiklar kan ploppa upp ur tomma intet - eller rättare sagt, ur kvantfälten - så länge de behagar försvinna igen inom bråkdelen av en sekund. Oftast är kvantfälten som starkast intill materiepartiklarna, och därmed också bubblandet av bosoner.

Problemet är att hantera detta gytter. I princip kan det dyka upp oändligt många kraftpartiklar - något som blir omöjligt att räkna på. Redan innan Veltman och ‘t Hooft äntrade scenen lyckades forskarna med ett matematiskt knep lösa knutarna för den elektromagnetiska kraften. Tekniken kallas renormering. I praktiken låter man olika bidrag från det bubblande gyttret ta ut varandra i ekvationerna. Oändligheterna skyfflas undan och det går åter att göra meningsfulla beräkningar. Idéerna belönades 1965 med Nobelpriset i fysik.

Dessvärre fungerar inte metoden för de andra krafterna. Problemet framstod mot slutet av 60-talet som så allvarligt att fysikerna började tvivla på hela den bild de målat upp av materien.

Här tog Veltman vid. Han var övertygad om att alla fyra naturkrafter byggde på samma grundprincip. År 1971 satte han sin unge doktorand på problemet. Den 24-årige Gerard ‘t Hooft var teoretiker ut i fingerspetsarna. I stället för att misströsta över att kvantfältteorierna inte stämde, renodlade han dem. Oändligheterna kunde faktiskt fås att försvinna. Problemet var att hans teorier inte längre beskrev verkligheten. I ‘t Hoofts låtsasvärld saknade alla bosoner massa. Detta stämmer för elektromagnetismen. Men inte för den svaga kraften. Experiment antydde tvärtom att dess bosoner, Z och W, är mycket tunga.

Spökpartikel sista pusselbiten

Veltman och ‘t Hooft placerade nu in den sista pusselbiten. Egentligen fanns den redan. Den heter Higgs boson och föreslogs 1965 av den engelske fysikern Peter Higgs. Higgs boson är en spökpartikel som antas finnas överallt. Higgsbosonerna täcker rymden som en slags slöja. När andra partiklar rör sig i slöjan suger de åt sig olika mycket av Higgsbosonerna. Z och W suger åt sig rejält - det gör dem tunga. Fotonen, elektromagnetismens kraftpartikel, suger däremot inte åt sig något alls. Higgs boson sägs litet slängigt ge partiklar deras olika massa.

Men Higgs kunde inte få någon rätsida på sin partikel. Och ingen annan heller. Utom Veltman och ‘t Hooft. Beväpnade med Higgs boson, ‘t Hoofts matematiska kunskap, och ett datorprogram Veltman utarbetat skred de till verket. I juli 1971 spottade datorn fram de första resultaten. Bingo! Oändligheterna var försvunna. Och den svaga kraften fungerade som den skulle. Dörrarna för dagens partikelfysik hade öppnats.

Standardmodellen - och sen?

Nittonhundratalet har bjudit på en hisnande resa in i materien. Symptomatiskt avslutas seklet med Nobelpris till de två forskare som fick dagens materiebild - standardmodellen - att fogas samman. Den nu 53-årige ‘t Hooft liknar själv sitt arbete vid ett slags pusselläggande. Bit för bit har materiens uppbyggnad benats ut. I dag prövas standardmodellen i allt större detalj vid stora laboratorier. Och Veltman och ‘t Hoofts förutsägelser stämmer väl. Standardmodellen har blivit fysikens mest framgångsrika teoribygge.

Men det finns ingen risk för att forskarna år 2000 löst alla problem. Ännu har ingen visat att Higgspartikeln verkligen finns. Förhoppningen är att den ska dyka upp i partikelacceleratorerna under de närmsta åren. Vad värre är, gravitationen, den kraft som styr hela universums öde, finns inte alls med i standardmodellen. Numera ägnar Gerard ‘t Hooft, som övertagit Veltmans roll som professor i Utrecht, problemet hela sin tid. Lösningen låter fortfarande vänta på sig.

Av Jens Ergon

Du har just läst en artikel från tidskriften Forskning & Framsteg. Prenumerera här.

Kommentera:

Dela artikeln:

TIDNINGEN FÖR DIG SOM ÄR NYFIKEN PÅ ALLVAR
11 nummer 779 kr
2 nummer 99 kr
Du vet väl att du kan läsa Forskning & Framsteg i din läsplatta? Ladda ned appen från App Store eller Google Play. (Läsplatteutgåvan ingår i alla prenumerationer.)

Lägg till kommentar