Annons

Higgs! Nyckeln till universums mysterier
Bild: 
NASA

Higgs! Nyckeln till universums mysterier

Årets Nobelpris i fysik är historiens mest förhandstippade. François Englert och Peter Higgs får priset för teorin om hur materia får sin massa. Teorin kan också lösa gåtan om den osynliga mörka materien, som håller ihop galaxerna.

Annons

Publicerad:

2013-11-20

Det var 1964 som Peter Higgs och François Englert (tillsammans med Robert Brout som gick bort 2011) publicerade sina banbrytande artiklar nästan samtidigt fast var för sig. Första gången de träffades var vid ett mycket speciellt tillfälle nästan ett halvt sekel senare – den 4 juli 2012. Där satt de, två grånade herrar rörda till tårar, när naturens bäst bevarade hemlighet avslöjades – Higgspartikeln hade gett sig till känna på Cern-laboratoriet utanför Genève i Schweiz. Ovationerna ville aldrig ta slut.

Äntligen var den här – nyckeln till universums mysterier.

Flera tusen forskare hade varit engagerade i jakten på den gäckande partikeln, som för tjugo år sedan döptes till guds partikel av Nobelpristagaren Leon Lederman – ett namn som fysikerna avskyr men som har gjort partikeln till en kändis ute i världen.

När Higgspartikeln bevisats står det klart att naturen faktiskt verkar ha valt den lösning som François Englert och Peter Higgs har skissat fram.

Deras teori utgör också en sista bit i pusslet om hur vår värld är beskaffad. Pusslet har lagts av fysiker i flera generationer som i teori och med experiment byggt upp elementarpartikelfysikens standardmodell, i en strävan efter att så enkelt som möjligt beskriva hela vår brokiga verklighet.

Modellen beskriver all materia som uppbyggd av bara några sorters materiepartiklar och alla krafter som förmedlade av bara några sorters kraftpartiklar. Standardmodellen fungerade dock bara om partiklarna saknade massa, och så är det ju uppenbart inte i vår värld. Englerts och Higgs lösning visade sig användbar för att tillföra partiklarna massa, och deras djärva idé räddade standardmodellen från kollaps.

Men att belasta materia med massa var inte deras första tanke. Frågan om massa dök upp först några år senare, 1967, i de blivande Nobelpristagarnas Abdus Salams och Steven Weinbergs arbeten. Det var också Steven Weinberg som gav Higgspartikeln dess namn, och även om det kan tyckas missgynna Peter Higgs kolleger, har namnet etsat sig fast i det allmänna medvetandet. Rättvisan har fått stå tillbaka för det mediala genomslaget.

Frågan som François Englert och Peter Higgs tog sig an handlade om att få fysikens eleganta kvantfältteori för elektromagnetism att fungera även för krafter som verkar inne i atomkärnan. Utmaningen var att bevara kvantfältteorins symmetrilagar, samtidigt som de av fysikerna så omhuldade lagarna måste överträdas. Världen är som bekant föga symmetrisk. Att äta kakan och ha den kvar, med Nobelkommitténs Olga Botners ord.

Lösningen blev att hitta på ett osynligt fält som fyller allt. Fältet var symmetriskt vid big bang, men redan 10–11 sekunder senare dolde det sin symmetri. Spontant symmetribrott kallas omvandlingen för, en snillrik idé som flera fysiker var på spåret ungefär samtidigt. Ingen forskare är en ö, som bekant. Men årets Nobelpristagare var först. François Englert klurade ut det med sin vän Robert Brout. Peter Higgs gick hem från jobbet på fredagseftermiddagen, och räknade med penna och papper hela helgen. På måndag morgon var han klar, har han berättat.

Higgsfältet ger partiklarna massa – hur mycket beror på hur de växelverkar med fältet

Higgsfältet ger partiklarna massa – hur mycket beror på hur de växelverkar med fältet.

Bild: 
Johan Jarnestad

Higgsfältet är inte som andra fält i kvantfysiken. De andra, som gravitationsfältet eller det magnetiska fältet, varierar i styrka, och när de hamnar i sin lägsta energinivå antar de värdet noll. Dock inte Higgsfältet. Till och med när rymden töms på allt och bara vakuum återstår, så är detta vakuum fortfarande fyllt med ett spöklikt fält som vägrar att stängas av – Higgsfältet. Vi märker det inte – Higgsfältet är som luft för oss, som vatten för fiskarna. Men utan det skulle vi inte finnas, för det är genom kontakten med Higgsfältet som partiklarna får sin massa. Man kan jämföra det med att gå i snö eller sega sig fram genom sirap eller honung. De partiklar som inte märker av Higgsfältet får ingen massa, de som växelverkar svagt blir lätta och de som växelverkar starkt blir riktigt tunga.

Higgsfältet är grunden för vår existens. Men det enda som kan avslöja det esoteriska fältet, och därmed skilja mellan saga och verklighet, är fältets vibrationer. Till vardags kallar vi dem partiklar. Higgspartikeln är det kronvittne som har jagats i världens alla acceleratorer.

För att få fatt i Higgspartikeln krävdes världens största maskin någonsin. LHC, large hadron collider, vid Cern är gigantisk. Där leds två protonstrålar nästan med ljusets hastighet åt var sitt håll i en 27 kilometer lång, rund accelerator för att förintas i en våldsam krock. Två stycken fem våningar höga detektorer, ATLAS och CMS, har byggts i jättegrottor 100 meter under jorden, för att urskilja spår av Higgspartikeln bland de miljardtals partiklar som bildas vid krocken. Det är där dramat har utspelat sig.

Upptäckten av Higgspartikeln blev kulmen på flera decenniers kollektiva insatser av tusentals forskare. Utan den inget Nobelpris. Men upptäckarna blev utan. Några tyckte det var förståeligt, andra blev ledsna, eller till och med upprörda. Kungliga Vetenskapsakademiens beslut kom efter en hetsig debatt, enligt ryktena. Vad som egentligen hände bakom de stängda dörrarna, under den dryga timme då hela världen väntade på den försenade presskonferensen, avslöjas först om 50 år.

Än är det inte för sent för pris. Forskarna på Cern hoppas komma med flera omvälvande upptäckter under de närmaste åren. För även om det är ett storverk att finna Higgspartikeln, den sista biten som fattades i pusslet om standardmodellen, så är standardmodellen inte den sista biten i pusslet om hela universum.

Ett av de återstående mysterierna är att modellen innehåller partiklar, neutriner, som inte får sin massa från Higgsfältet. Dessutom beskriver modellen bara den synliga materien, en sjättedel av all materia som finns. Resten består av mörk materia som bara märks indirekt, genom sin inverkan på de stjärnor och galaxer som vi kan se. Hoppet står nu till att Higgspartikeln, denna nyckel till universums mysterier, kan öppna porten till de ännu okända världarna när LHC-experimenten fortsätter med Higgsjakten under lång tid framöver.

Pristagarna: Fysikpriset 2013

Peter Higgs och François Englert,

Peter Higgs och François Englert,

Bild: 
David Cheskin, Virginia Mayo

Peter Higgs
Peter Higgs gick under jorden när Nobelpriset tillkännagavs tisdagen den 8 oktober i år. I nästan femtio år har han jagats som partikeln personifierad, ett grymt öde för en forskare som helst skulle vilja sitta hemma på sin kammare med penna och papper.

– Jag är lättad över att den långa väntan är över, sade Peter Higgs när han tre dagar senare dök upp på en presskonferens på sitt gamla University of Edinburgh.

Under tillkännagivandet satt han på ett lunchställe med många goda ölsorter i Leith, Edinburghs gamla hamn. Själva nyheten fick han från en före detta granne som han av en slump mötte på väg hem.

– Under många år var jag övertygad om att teorin inte skulle bekräftas under min livstid, men när LHC kom i gång för några år sedan, stod det klart att de skulle lyckas, sade Peter Higgs.

François Englert
François Englert var beredd att fira hemma med familjen då Nobelpriset skulle tillkännages. När samtalet uteblev vid den utsatta tiden för Vetenskapsakademiens presskonferens, började han laga barnbarnens favorit – toast med banan.

– Det är vad de tycker jag är bäst på, sade han i en telefonintervju. 

François Englert har rykte om sig att vara bäst på nästan allt; redan i skolan var han den bästa eleven någonsin. Det mesta som han har tagit sig an inom fysikens många fält har också väckt intresse hos kollegerna: idéer om inflationen ett par år innan den intog sin plats inom kosmologin, tidiga arbeten inom strängteorin och så teorin som han nu prisas för, den om Higgsfältet och Higgspartikeln. Att de är uppkallade efter Peter Higgs är Englert inte alldeles nöjd med. 

Lite besvärad blir han också av att tillfrågas om sin barndom under andra världskriget. Som ett judiskt barn i Belgien undkom han och hans bror förintelsen gömda hos en präst på landsbygden. 

Men han lovar att berätta mer när han kommer till Stockholm för att ta emot Nobelpriset.

Forskning & Framsteg berättar om fackgranskade forskningsresultat och om pågående forskning. Våra texter ska vara balanserade och trovärdiga, och sätta forskningsresultaten i sitt sammanhang för att göra dem begripliga. Forskning & Framsteg har rapporterat om vetenskap sedan 1966.

1