På jakt efter det okända – om modern fysik och universums minsta beståndsdelar

”Människan har alltid varit uppfinningsrik och länge strävat efter att förstå världen omkring sig. Nyfikenhet är antagligen den främsta egenskap som har drivit vår utveckling och framgång.

Genom att fråga sig vad som fanns bakom nästa kulle hittade människan kanske en gång en ny vattenkälla eller frodiga betesmarker. Driven av önskan att hitta en ny rutt till Ostindien upptäckte Columbus en, för Europa, helt okänd kontinent. Idag har tekniska landvinningar gjort det möjligt för oss att utforska inte bara vårt närområde och vår egen planet utan hela universum, från de allra största strukturerna ner till de allra minsta beståndsdelarna.

Men nyfikenhet har inte varit det enda som behövts för att ta oss ända hit, till universums avlägsna galaxer och innersta vrår. Insikterna om att vi kan lära oss mer om världen genom att observera den, och att vi kan testa antaganden eller hypoteser genom att göra experiment, har antagligen varit lika viktiga. Utan mätdata famlar människan i blindo, och blir lätt förledd att dra förhastade slutsatser på bristande grunder. Ett talande exempel är den gamla traditionen att bota sjuka människor genom åderlåtning där den sjuka tappades på blod för att ”det sjuka” skulle rinna ut, något som flitigt praktiserades långt in på 1800-talet. Den tidens läkare såg att en del av deras patienter faktiskt blev friska efter behandlingen och slöt sig till att den alltså måste ha en positiv effekt. Men i själva verket var åderlåtning livsfarligt – mycket farligare än att bli helt utan behandling. Detta uppdagades först år 1849 då den österrikiske läkaren Joseph Dietl utförde en systematisk studie på 380 patienter med lunginflammation. Dessa delades upp i tre grupper, en som fick åderlåtning, en som fick kräkmedel och en som sattes på speiell diet. Dietl kunde konstatera att patienterna i de grupper som fick åderlåtning och kräkmedel dog i högre utsträckning än dietgruppen. Den vetenskapliga metoden har de facto visat sig oerhört framgångsrik i allt från att hitta botemedel mot sjukdomar till att sätta människor på månen.

Det är min nyfikenhet som har tagit mig till det europeiska forsksningslaboratoriet Cern, där tusentals fysiker före mig byggt upp vår kunskap om universums minsta beståndsdelar. Men det är vetskapen om att precisa mätningar är det som behövs för att ytterligare utvidga vår kunskap som fått mig och tusentals andra fysiker att gå samman och bygga de gigantiska experiment som idag utgör ryggraden i cern:s verksamhet.

Vi återkommer snart dit, men först ska vi göra samma resa som mänskligheten gjort de senaste hundra åren, längre och längre in i materien, längre och längre bort från det greppbara och vardagliga. En resa som tålmodigt illustrerar att framsteg kommer genom en blandning av lyckosamma sammanträffanden och enträget slit, men alltid drivs på av ständigt förbättrade mätmetoder och nya verktyg. Och som avslutas med människans kanske mest ambitiösa forskningsprojekt någonsin. Det som möjliggjorde upptäckten av Higgspartikeln.

Under drygt hundra år har fysiker steg för steg mejslat fram den så kallade standardmodellen, en teori som med imponerande noggrannhet beskriver så gott som alla partikelfysikexperiment som utförts av människan. Standardmodellen som matematisk konstruktion har dryga 50 år på nacken. Men partikelfysiken föddes långt tidigare – kanske med insikten om att all materia kan organiseras i olika grundämnen som är uppbyggda av små beståndsdelar, atomer. Eller kanske när man i början av 1900-talet förstod att atomerna i sin tur bestod atomkärnor omgivna av moln av elektroner. När man på 1930-talet upptäckte de protoner och neutroner som bygger upp atomkärnorna, och på så vis kunde förklara alla grundämnen utifrån tre grundläggande beståndsdelar, var fysikerna säkra på att de var i hamn. Man hade hittat materiens minsta beståndsdelar. Förvåningen var därför stor när Carl D. Anderson och Seth Neddermeyer år 1936 upptäckte en helt ny sorts partikel i den kosmiska strålningen, en partikel som senare visade sig vara myonen, en tyngre kusin till elektronen.

Den nya partikeln passade inte på något vis in i den rådande teorin om hur världen var uppbyggd. Frustrationen avspeglas i Nobelpristagaren Isidor Isaac Rabis berömda citat ”Who ordered that?” Med myonen kom insikten att världen kanske var långt mer komplicerad än man dittills anat.

Partikelfysikens verkliga genombrott kom dock först på 1950-talet när teknologiska landvinningar gjort det möjligt att bygga kraftfulla partikelacceleratorer. Fram till den tidpunkten hade partikelfysikerna varit begränsade till att observera de partiklar som kom till oss från rymden genom den kosmiska strålningen, samt de partiklar som utgjorde byggstenarna i den materia som omgav oss här och nu. I och med partikelacceleratorernas inträde på scenen kunde forskarna under kontrollerade former skapa nya partiklar ur energi. Och det visade sig snabbt att världen fullkomligt bubblade av partiklar som ingen människa förut hade sett. I början av 1950-talet invigdes Cosmotronen vid Brookhaven National Laboratory och Bevatronen vid Lawrence Berkeley National Laboratory, och tio år senare hade fysikerna hittat uppemot hundra nya partiklar.

De blev så många, och så svåra att hålla ordning på att forskarna började referera till dem som the particle zoo. Den välordnade och greppbara verkligheten med atomer som byggdes upp av protoner, neutroner och elektroner kändes som en avlägsen dröm. Men så i början på 1960-talet kom räddningen. Två teoretiska fysiker vid namn Murray Gell-Mann och George Zweig insåg, oberoende av varandra, med matematikens hjälp, att alla dessa nya partiklar kunde vara objekt sammansatta av ett litet antal mindre beståndsdelar – kvarkarna.

Hypotesen var onekligen elegant, men frågan var om den bara var en abstrakt matematisk representation eller om den faktiskt hade någon förankring i verkligheten. Gick den att bevisa? Frågan kunde bara besvaras med hjälp av mätningar, och år 1968 hittade fysiker vid Stanford Linear Accelerator Laboratory (slac) i Kalifornien, experimentella bevis för att protoner bestod av mindre beståndsdelar just på det vis kvarkmodellen förutsett.

Under de femtio år som fortlöpt sedan kvarkmodellen bekräftades och standardmodellen började ta form, har nya partikelacceleratorer upptäckt en lång rad nya elementarpartiklar. Så sent som 1995 upptäcktes toppkvarken vid Fermilab utanför Chicago. Och ungefär tio år tidigare bekräftade forskare på Cern existensen av W- och Z-bosonerna, de partiklar som förmedlar något som kallas den svaga kärnkraften.

Men trots standardmodellens framgång har det hela tiden funnits något som skavt. I sin ursprungliga form tillät inte standardmodellen att de ingående partiklarna hade massa, matematiken gick inte ihop. Partiklarna fick inte väga någonting. Upprepade försök att införa termer för massa i teorin misslyckades och ledde till oacceptabla oändligheter. En möjlig lösning kom på 1960-talet, då flera forskargrupper ungefär samtidigt insåg att partiklarna kunde erhålla sina massor genom en växelverkan med en ny typ av kvantfält. Ju starkare partiklarna kände av det nya fältet, desto tyngre blev de. En av forskarna, som sedermera har fått namnge fältet och den tillhörande partikeln, var Peter Higgs.

Men precis som med kvarkmodellen var Higgsmekanismen bara en teoretisk konstruktion, om än vacker och tilltalande. Huruvida den hade något med verkligheten att göra eller inte kunde bara besvaras av de experimentella fysikerna. De trädde in på scenen kort efter det att Higgsmekanismen såg dagens ljus och gav sig i kast med att hitta fältets gäckande partikel – Higgspartikeln.

I mitten av 1980-talet hade fysiker sökt efter Higgspartikeln i nästan 20 år utan framgång, och frustrationen var märkbar bland forskarna. (Leon Lederman som 1988 belönades med Nobelpriset för sin upptäckt av myon- neutrinon skrev boken The God Particle som handlade om jakten på Higgspartikeln. Ryktet säger att han på en fråga om bokens titel svarade att han egentligen velat kalla boken ”The Goddamn Particle” eftersom Higgspartikeln var så svår att hitta – men att hans förläggare förordat något mindre provokativt.)

Tanken på att bygga en maskin som slutgiltigt skulle kunna avgöra frågan började spira, och 1984 presenterades de första förslagen på en ny stor hadronkolliderare på cern. I acceleratorn, som fick namnet Large Hadron Collider, lhc. (Hadrone från grekiskans hadrós, ”bastant”, subatomära partiklar som är uppbyggda av kvarkar) skulle protoner accelereras till nästan ljusets hastighet, för att sedan kollideras vid fyra punkter runt den 27 km långa ringen. Tack vara protonernas höga hastighet skulle den rörelseenergi som frigjordes i kollisionerna vara tillräcklig för att kunna skapa Higgspartikeln – om den fanns.

Efter tio år med gedigna förstudier kunde beslut om byggstart för lhc-projektet tas den 16 december 1994. Kopplat till acceleratorn fanns även planer på fyra stora detektorer. De största av dem, atlas- och cms-detektorerna, godkändes efter noggranna utvärderingar av olika vetenskapliga expertkommittéer ett par år senare.

Genom två parallella experiment kunde mängden kollisioner fördubblas, vilket skulle möjliggöra noggrannare mätningar. Dessutom skulle de två experimenten kunna bekräfta varandras resultat. Det är atlas-experimentet som är min egen vetenskapliga hemvist och det tre tusen fysiker stora atlas-samarbetet är min vetenskapliga familj. Att få vara med i ett projekt som är så omfattande att inget land kan göra det ensamt är en mäktig känsla, men skapar också ödmjukhet. Allt arbete du gör är beroende av någon annans. Tillit och lagarbete, noggrannhet och vetenskaplig integritet är ledorden. Projektet i sig är något mycket större än summan av alla skruvar, sladdar, sensorer och processorer. Det är ett gemensamt mål som binder oss samman. Detektorelementen har producerats vid olika universitet och forskningslaboratorier runt om i världen, från USA i väst till Japan i öst, från Sverige i norr till Australien i söder. Tillsammans har vi planerat, byggt, installerat och kalibrerat vårt experiment. Tusentals och åter tusentals arbetstimmar har investerats. Otaliga designspecifikationer, databaser och doktorsavhandlingar har skrivits. Och till slut var det äntligen dags att skörda de vetenskapliga frukterna. Den 23 november 2009, tjugofem år efter att idén om en stor hadronkolliderare på cern föddes, kolliderades de första protonerna i lhc och den vetenskapliga uppgift som ålagts experimenten kunde börja.

Det var dags att antingen hitta Higgspartikeln eller för alltid förpassa den till fysikteoriernas skräphög. Åren som följde kan närmast liknas vid en kapplöpning. Varje steg vi tog jämfördes med de steg som togs av vårt systerexperiment på andra sidan ringen. Alla pressade sig till det yttersta för att klämma ut lite till ur datan, komma på en algoritm som är lite kraftfullare än den vi använde i går. Samtidigt plöjde vi ner otaliga timmar på att granska och åter granska alla resultat. Målkonflikten mellan att vara snabb och att vara noggrann gjorde sig ständigt påmind. I december 2011 kunde vi presentera resultat som visade att Higgspartikeln antingen vägde mellan 115 och 130 GeV (GeV: giga-electron volt, är en enhet som används för att mäta energin hos subatomära partiklar) eller inte fanns alls. Vad sanningen var skulle 2012 års data komma att få utvisa. Och redan i juni det året var upptäckten av Higgspartikeln ett faktum.

Den 4 juli 2012 kallade cern till presskonferens. Köerna ringlade långa utanför den stora hörsalen och årets sommarstudenter hade till och med sovit över i korridoren för att komma först i kön. Stämningen var förväntansfull. Vi hade alla på känn att vi nu skulle komma att få vara med och skriva om fysikböckerna. Och vår känsla visade sig stämma. Båda experimenten tillkännagav att de observerat en helt ny partikel som vägde ca 125 GeV. Egenskaperna hos den nya partikeln stämde väl överens med den Higgspartikel som föreslagits nästan femtio år tidigare.

Higgspartikeln brukar ofta kallas den sista pusselbiten i den så kallade standardmodellen för partikelfysik, en teori som lyckats med konststycket att inbegripa så gott som all kunskap mänskligheten hittills samlat in kring den eviga frågan om vilka som är universums minsta, odelbara, enheter och vilka lagar som styr detta mikrokosmos. Men samtidigt vet vi att standardmodellen i sig är en pusselbit i ett mycket större pussel. För om vi tittar ut i universum ser vi fenomen som standardmodellen inte kan förklara.

Läget inom partikelfysiken idag liknar på många sätt det som rådde på 1930-talet. Standardmodellen kan, i likhet med 30-talets modell med neutroner, protoner och elektroner, förklara materian vi har omkring oss på ett ypperligt sätt. Men samtidigt har vi otvivelaktiga bevis för att det finns något bortom standardmodellen. På samma sätt som myonen omkullkastade människans tro på att allt redan var upptäckt kom insikten om universums osynliga sidor att omkullkasta idén om standardmodellen som det slutgiltiga svaret på universums uppbyggnad. Problemen kom smygande redan på 1970-talet då Vera Rubin genom sina noggranna mätningar av galaxers rotation kunde visa att det måste finnas mer massa i dem än den vi kunde se med blotta ögat. Och som en blixt från klar himmel kom 1998 insikten om att universum expanderar, och dessutom fortare och fortare. Vad den accelererande expansionen drivs av är fortfarande okänt.

Idag vet vi att inte mindre än 95 procent av universums energiinnehåll består av något annat än de atomer standardmodellen så förtjänstfullt beskriver. Vi vet att 25 procent av universum består av en osynlig sorts materia som vi kallar mörk materia. Och vi vet att 70 procent av universum består av någonting som driver universums accelererande expansion, och som vi i brist på ett mer insiktsfullt namn kallar mörk energi.

Precis som så många gånger förut har slutet på ett kapitel också visat sig vara början på ett nytt. I och med upptäckten av Higgspartikeln avslutades kapitlet om standardmodellen. Nu är det dags att skriva kapitlet om det mörka universum. Och kanske kan lhc spela en roll även här.

Acceleratorn levererar idag mer data än vad någon fysiker vågat hoppas på. Fyrtio miljoner gånger varje sekund krockar protoner i det allra innersta av atlas-detektorn. Varje dag, varje timme, året om – med undantag för ett par månaders underhåll varje vinter. Även fysiker behöver jullov. Totalt har detektorn hittills registrerat bortemot åtta biljarder protonkollisioner.

Med dessa enorma mängder data hoppas vi kunna hitta ledtrådar till vad det mörka i universum består av. En teori är att den mörka materian är en elementarpartikel, inte helt olik de som redan ingår i standardmodellen, men mycket mer undflyende. Det enda vi egentligen vet om den mörka materian är att den känner av gravitationskraften. Det är genom dess påverkan på den synliga materian som den hittills gjort sig till känna. Men det finns inget som hindrar att den mörka materian även känner av den svaga kärnkraften. Och om så är fallet finns det en chans att den kan skapas i lhc:s protonkollisioner.

Någonstans i våra åtta biljarder kollisioner kan en signal finnas begravd. Kanske har det i en handfull av dessa kollisioner skapats mörk materia? För att svara på den frågan söker dagens partikelfysiker med stor noggrannhet igenom alla data i jakten på nya partiklar.

En annan möjlighet är att fysiken bortom standardmodellen manifesterar sig genom små, små avvikelser i processer som den rådande teorin redan inkluderar. En noggrant uppmätt avvikelse på någon procent i sannolikheten att producera Higgspartiklar, skulle till exempel kunna visa på att nya, hittills okända partiklar, bidrar till de processer med vilka Higgspartikeln skapas.

Kanske är det så den nya fysiken kommer att manifestera sig – som en hårfin avvikelse från det standardmodellen förutsäger. Historiskt sett har båda alternativen förekommit. Ibland har nya fenomen gjort oanmäld entré med buller och bång. Som när myonen bokstavligen ramlade ner från skyn. Men ibland har subtila ledtrådar fått fysiker att tänka i nya banor.

Att nya upptäckter och insikter ligger framför oss är det nog ingen som tvivlar på. Men vilka de är eller när de kommer är höljt i dunkel. Och även om vi hittar förklaringen till universums mörka materia och mörka energi, vad spelar det för roll? Kan något så märkligt någonsin bli användbart? Ingen vet. Men lika lite som vi vet vilka omvälvande samhällsförändringar grundforskningen kommer att leda till, lika säkra kan vi antagligen vara på att de kommer. Tittar vi bakåt har grundläggande fysikforskning om till synes obetydliga fenomen givit oss elektricitet, transistorer och datorer.

Partikelfysikers behov av att dela information sinsemellan gav oss world wide web. Partikelacceleratorer har möjliggjort strålbehandling mot cancer och utvecklingen av acceleratorernas starka magneter har revolutionerat röntgendiagnostiken med magnetresonanstomografi. För mig som forskare är det viktigt att veta att mitt arbete bidrar till att människor får det bättre, att det leder till att vi kan bota sjuka och höja vår levnadsstandard. Men det som driver mig är något annat. Det som gör mig till forskare är nyfikenheten och behovet av att svara på de stora frågorna. Likt en konstnär försöker jag tolka världen och bringa struktur i det som egentligen är ogripbart.

Likt urmänniskan på Afrikas stäpp tittar jag upp mot stjärnorna och kan inte låta bli att hänföras över hur många de är och ställa mig frågan om vad som finns därute. Jag har ägnat mitt liv åt det som är större än mig själv, som fanns där långt innan jag föddes, och som kommer att finnas kvar långt efter att jag dött. Universum. Och jag gör det för att det fascinerar mig. För att jag helt enkelt inte kan sluta tänka på det. Det finns så mycket vi fortfarande inte känner till. Men ett par saker är vi säkra på: 95 procent av universum består av något som vi ännu inte vet vad det är, och det enda sättet att ta reda på svaret är att fortsätta leta. Precis som människan gjort i alla tider.”

Sara Strandberg är lektor i elementarpartikelfysik vid Stockholms universitet. Ledamot i Sveriges unga akademi 2014–2019.

Sveriges unga akademi samlar några av Sveriges främsta forskare. 2019 gav akademin ut antologin Ett kalejdoskop av kunskap med texter av ett 20-tal ledamöter, varav F&F publicerar tre. Boken ges ut av Santérus förlag.