[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp# Hvor mange proton-proton kollisioner vil der være per sekund ved LHC-acceleratorens maximalenergi?|Hvor mange proton-proton kollisioner vil der være per sekund ved LHC-acceleratorens maximalenergi?]]
LHC-acceleratoren forventes at nå op på 800 millioner proton-proton kollisioner per sekund ved LHC-acceleratorens maximalenergi på 14 TeV . For blot én af de 4 detektorer, ATLAS-detektorkomplekset, vil dette resultere i en datastrøm frem til det såkaldte begivenheds-filter på op imod 100 Gb/s . Dette filter har til opgave ved hjælp af meget hurtige test at frasortere 'uinteressante' begivenheder [kilde].

¤¤¤

[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp# Hvilken arbejdsmetode bruger partikelfysikere?|Hvilken arbejdsmetode bruger partikelfysikere?]]
En af de første ting, som partikelfysikteoretikerne gør, når de fundet på en ny teori, er at prøve at dræbe den ved at finde en inkonsistens med kendte eksperimentelle resultater [kilde]. Man starter f.eks. med en teoretisk model for elementarpartikler, og beregner derefter, hvad der ifølge denne model vil ske, når to protoner støder sammen med en hastighed meget tæt på lysets hastighed (99,9999991% af lyshastigheden). Dette sammenlignes så med, hvad man rent faktisk har målt i forsøgene ved f.eks. ATLAS-detektorkomplekset [kilde].

To forskere foreslog i 1954 de såkaldte "ikke-abelske gauge-teorier", som senere (efter at modellerne var blevet videreudviklet af andre forskere) mundede ud i "den elektrosvage teori". Dette blev i begyndelsen af 1970'erne bekræftet eksperimentelt – dog mest spektakulært i 1983, da CERN opdagede de tre partikler, W+, W- og Z0 vektor-bosonerne, med nøjagtig de masser, som var blevet forudsagt ifølge den elektrosvage teori [kilde].

¤¤¤

[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp# Hvad skyldes den elektrostærke kraft?|Hvad skyldes den elektrostærke kraft?]]
Den elektrosvage teoris succes i 1970'erne og specielt i 1983 førte teoretiske fysikere til at foreslå en "kvante-kromo-dynamik"-teori til beskrivelse af den stærke kernekraft. Ifølge denne teori er protonen og neutronen lavet af mere fundamentale partikler, kaldet kvarker. Den stærke kernekraft opstår ifølge teorien ved kvarkernes vekselvirkninger med otte vektorbosoner, kendt som gluoner. Teorien ser nu ud til at være blevet bekræftet eksperimentelt[kilde].

¤¤¤

[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp# Findes der en fælles teori på den stærke og den svage kernekraft og den elektromagnetiske kraft og tyngdekraften?|Findes der en fælles teori på den stærke og den svage kernekraft og den elektromagnetiske kraft og tyngdekraften?]]
De to teorier om henholdsvis den svage og den stærke kernekraft er temmelig forskellige gauge-teorier. Man leder derfor nu efter en forenende teori, der samlet kan forklare den svage og den stærke kernekraft – og samtidig også gerne kan forklare den tredie kraft, som kaldes den elektromagnetiske kraft [kilde].

Det, der mangler til en stor, forenende teori, er gravitationens kraft. En løsning kunne være en såkaldt "Kaluza-Klein teori i højere dimensioner" – idet den oprindelige Kaluza-Klein teori krævede fem dimensioner. "

En sådan teori må omfatte en vektorboson (nemlig den foton, der er tilknyttet elektromagnetismens kraft) , de tre nyligt opdagede vektorbosoner (nemlig W+, W- og Z0 vektorbosonerne), som kræves til den svage kernekraft , samt de otte gluoner, som kræves til den stærke kernekraft [kilde].

En stor, forenende teori kræver dog mere end dette, nemlig et sted imellem 10 og 500 flere vektorbosoner – afhængig af, hvilken version af stor, forenende teori, man vælger [kilde].

I kvanteteorier, som "de ikke-abelske gauge-teorier", er der to klasser af partikler, nemlig bosonerne og fermionerne. Bosonerne er bærere af de fundamentale kræfter, dvs. at de overfører kræfter. For eksempel tænkes gravitationskraften forårsaget af en kontinuerlig udveksling af bosoner (af typen "gravitoner") mellem to massive legemer – hvilket viser sig som en tiltrækning mellem de to legemer[kilde].

Fermionerne udgør al hovedmassen af stof i universet. For eksempel er elektronen, neutronen, protonen og neutrinoen netop fermioner. Kvarkerne, der sammen udgør neutronen og protonen, er derfor også fermioner [kilde].

¤¤¤

[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp# Hvor mange dimensioner er der i verden?|Hvor mange dimensioner er der i verden?]]
Supergravitation-teorien er en såkaldt "feltteori", hvor antallet af fermionfelter og antallet af dimensioner er givet naturligt af teoriens struktur, og hvor der er en fermion-partner for hver boson, og hvor fermionerne (der er nødvendige til at beskrive stoffets struktur) er til stede i teorien fra begyndelsen. Desuden kan der højest være 11 dimensioner, – men netop 11 dimensioner skal der så også være for at indlemme de stærke, svage og elektromagnetiske kræfter i en Kaluza-Klein struktur. De syv ekstra dimensioner (ud over de 4 kendte dimensioner i rumtiden) tænkes ifølge supergravitationsteorien krøllet sammen til en lukket overflade. Det er yderst tiltrækkende for teoretikerne, at medens der i alle dimensioner lavere end 11 kan tænkes adskillige versioner af supergravitation, som er matematisk distinkte, så er supergravitation-teorien i netop 11 dimensioner enestående [kilde].

De minimale ingredienser til en Kaluza-Klein teori (også kaldet en KK-teori) inkluderer gravitationsfeltet (som giver anledning til bosonerne) samt et fermionfelt (som redegør for vor verdens fermioner). Der skal ud over gravitationsfeltet også være mindst et bosonfelt, der virker som den kilde, der driver kompaktheden, eller opkrølningen, af de ekstra, skjulte dimensioner. Den 11-dimensionale version af supergravitation-princippet inkluderer nøjagtig disse tre ingredienser: Gravitationsfelt/fermionfelt/bosonfelt [kilde].

Det ekstra bosonfelt fører naturligt til kun to slags kompakthed. I den ene slags krøller syv af de 11 dimensioner sig til en lille, skjult struktur. En sådan kompakthed ville forklare, hvorfor antallet af dimensioner, der let kan observeres, netop er fire, eftersom de syv er skjulte. (Der må så være en grund til, at dette foretrækkes i naturen frem for alternativet, hvor kun fire dimensioner krøller sig sammen, hvilket ville føre til en syvdimensional verden) [kilde].

Det første er "kiralitetsproblemet", nemlig at alle hidtil foreslåede 11-dimensionale strukturer forudsiger et ens antal venstre- og højrehåndede neutrinoer, hvilket er i modstrid med, at alle neutrinoer, der er observeret i naturen, har været venstrehåndede. Der synes således ikke at eksistere højrehåndede neutrinoer [kilde].

Det andet problem, kaldet "det kosmologiske problem", går ud på, at rumtidens fire dimensioner (længde/bredde/højde og tid) bliver yderst krumme. Det er i modstrid med, at astronomiske observationer tyder på, at universets krumning på en stor skala er nul eller tæt på nul. I de Kaluza-Klein teorier, der ikke er baseret på supergravitation, kan dette problem undgås ved at tilføje ligningerne en konstant, som kaldes "den kosmologiske konstant", og som har den virkning, at den ophæver den firedimensionale rumtids krumning. En sådan frihed til at justere de underliggende ligninger er imidlertid ikke til stede i Kaluza-Klein teorier, der er baseret på supergravitation i 11 dimensioner [kilde].

Det tredje problem for 11-dimensional supergravitation kaldes "kvanteproblemet". Der er håb om, at en løsning af "kvanteproblemet" også vil kunne eliminere de to andre problemer. Teorierne, der ligger til grund for Kaluza-Klein princippet, er baseret på kvantemekaniske ligninger, som fører til uendelige mængder, hvilket udgør en vanskelighed for alle kvanteteorier om gravitation. For at undgå dem er teoretikerne blevet tvunget til at gøre tilnærmelser, der negligerer nogle af kvantevirkningerne. Måske vil man med tiden kunne demonstrere, at uendelighederne er et resultat af tilnærmelsesproceduren snarere end et resultat af selve teorien – eller måske kan man finde en teori, i hvilken disse uhåndterlige uendeligheder slet ikke optræder. En såkaldt "superstreng-teori", der har nogle af supergravitation-teoriens tiltrækkende egenskaber, kan måske løse problemet [kilde].

I superstrengteorien er der uendeligt mange partikler, svarende til de uendeligt mange bølgemønstre, der kan eksistere vedvarende på strengen. De fleste af disse partikler vil have en yderst stor masse, nemlig mere end 1019 gange protonens masse. Ikke desto mindre forudsiger teorien også omkring 1000 partikler, der er uden masse. Når de tunge partiklers virkninger inkluderes, får man konsistente ligninger på kvanteniveau, og de to store problemer i supergravitation, "kiralitetsproblemet" og "det kosmologiske problem", opstår ikke i superstrengteorien[kilde].

"Strengteorien" er ikke en feltteori, sådan som Supergravitation-teorien er. Ifølge strengteorien er partiklerne knyttet til vibrationsbevægelserne hos en 1-dimensional streng i et højere dimensioneret rum [kilde].

Der er ingen eksperimentelle tegn på, at supergravitationsteorien og Kaluza-Klein teorien er korrekte. Dette viser dog ikke nødvendigvis, at ideerne er forkerte. Måske kræves blot yderligere teoretisk arbejde: Det tog f.eks. 13 år at finde den korrekte måde at anvende de "ikke-abelske gauge-teorier" til at lave en præcis formuleret forudsigelse, som kunne afprøves eksperimentelt. Desuden kræves måske udvikling af yderligere matematiske teorier, f.eks. om højere-dimensionerede verdener til forklaring af gravitation[kilde].

¤¤¤

[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp# Hvilken betydning har matematikken for partikelfysikken?|Hvilken betydning har matematikken for partikelfysikken?]]
Partikelfysik handler meget om matematik af en type, som ikke passer til vores forestillingsevner. Men Benny Lautrup skriver følgende om matematik: "Galileis lov om inerti, Newtons love for bevægelse og tyngdekraft, Maxwells ligninger for elektromagnetisme, og Einsteins relativitetsteori indeholder alle matematiske abstraktioner, der ikke umiddelbart er tilgængelige for vores intuition. Beherskelsen af det matematiske apparat er i dag en forudsætning for at benytte disse klassiske teorier professionelt. De har alle gennem matematiske analyser vist sig at indeholde overraskende elementer, der af og til med stor fordel kan udnyttes industrielt. Selv relativitetsteorien, som de fleste anser for dagligdagen uvedkommende, er afgørende for præcisionen af det satellitbaserede navigationssystem (GPS), som enhver hyrevogn i dag betjener sig af." [kilde].

LHC-målingerne kan måske med tiden vise sig at blive af stor interesse for rumteknologien og for medicinsk diagnostik [kilde].

¤¤¤

[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp# Hvad er Standardmodellen?|Hvad er Standardmodellen?]]
Standardmodellen for partikelfysik blev formuleret i slutningen af 1960'erne, og den har vundet større og større anerkendelse [kilde]. Ved alle de mange fysiske eksperimenter, der hidtil er blevet udført ved acceleratorer verden over, er der aldrig blevet målt noget, der ikke var i overensstemmelse med Standardmodellen [kilde]. Standardmodellen må derfor betragtes som noget af en teoretisk bedrift.

Standardmodellen har forholdsvis få frie parametre, og den forudsiger præcise relationer mellem forskellige målbare størrelser . Ingen signifikante afvigelser fra modellens forudsigelser blev observeret ved de tidligere LEP-eksperimenter i CERN, og også senere målinger har bekræftet Standardmodellens indre konsistens [kilde].

Standardmodellen lader – på trods af dens succes – mange grundlæggende spørgsmål åbne. F.eks. besvarer den ikke spørgsmålet: Hvorfor har elementarpartiklerne de masser, som de har? [kilde]. Der er derfor god grund til at søge videre efter en underliggende mekanisme, der kan give dybere indsigt . Et af disse grundlæggende spørgsmål er, hvorfor de stoflige elementarpartikler optræder i præcis tre generationer [kilde]. (som forsøgene med LEP-acceleratoren i CERN påviste). For et muligt svar må man kigge hinsides Standardmodellen efter såkaldt "ny fysik".

¤¤¤

[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp# Hvad er Higgs-partiklen?|Hvad er Higgs-partiklen?]]
Det var den største nyhed inden for elementarfysikken i 30-40 år, da CERN den 4. juli 2012 kunne meddele, at de havde fundet Higgs-partiklen (dog formuleret mere forsigtigt som "en Higgs-lignende partikel").

Kendskab til Higgs-partiklen er afgørende for, at fysikerne kan studere Higgs-feltet. Det er Higgs-feltet som giver stoffer masse. Uden masse kunne der ikke eksistere planeter, sole og stjerner, ­galakser – eller dyr, planter og mennesker. Det bliver ofte i medierne fremstillet, som om stoffers masse opstår ved, at atomerne bremses af allestedsnærværende Higgs-partikler. Det er forkert – der er ingen Higgspartikler i din stue. Higgspartiklen kan netop kun dannes ved at ryste Higgsfeltet med en enorm energi, såsom den energi­koncentration, der var i universets første billiontedel af et ­sekund efter Big Bang.

Men Higgspartiklen kan fortælle noget om Higgsfeltet, og det er egentlig det, man søger viden om. Higgsfeltet er netop allestedsnærværende i universet, og mange (men ikke alle) partikler får "masse" ved at bevæge sig gennem Higgsfeltet. Disse partikler interagerer (vekselvirker) med Higgsfeltet. Partikler med høj masse har netop denne bestemte masse, fordi de interagerer på en bestemt kraftig måde med Higgsfeltet. Tilsvarende har partikler med lille masse netop denne lille masse, fordi de kun interagerer på en bestemt svag måde med Higgsfeltet.

Alt stof består af kvarker og leptoner. Protoner og neutroner er f.eks. opbygget af kvarker. Elektronen er den kendteste lepton. Disse elementarpartikler har vidt forskellig masse. (F.eks. masseforskelle på 300.000 gange).

Fysikerne studerer elementarpartikler. Det er de mindste dele, ting kan opdeles i. Engang troede man f.eks., at atomet var stoffers mindste enhed. ­Senere opdagede man, at atomer består af en atomkerne med elektroner omkring. Men også atomkernen består af mindre dele, nemlig protoner og neutroner. En overgang troede man derfor, at protonen var en elementarpartikel. Men en proton indeholder bl.a. 3 kvarker (nemlig 2 up-kvarker og 1 down-kvark). Med vores nuværende viden er disse kvarker faktisk elementarpartikler. Kvarkerne kan ikke deles yderligere. Også elektronen er en elementarpartikel. Elektronen kan heller ikke deles yderligere.

Fysikerne har udviklet en teori, som de kalder "Standardmodellen". Den forklarer elektroner, kvarker og de andre partikler i universet. Denne teori (som fysikerne altså kalder en model) har fungeret upåklageligt. Den ene gang efter den anden har man ud fra Standardmodellen kunnet forudsige eksistensen af partikler, som man så derefter har fundet. Den sidste partikel, som manglede at blive fundet ifølge Standardmodellen, var Higgs-partiklen, der er et udtryk for Higgs-feltets eksistens. På grundlag af mange forsøg havde man påvist Higgs-feltets eksistens uden for enhver tvivl. Men derudover ved man ikke noget om dette felt. Der kan faktisk være flere Higgs-felter, og i så fald flere Higgs-partikler.

Et "felt" kan være nul eller ikke-nul. Lufttætheden i et rum er f.eks. et felt. I vakuum er dette felt nul, dvs. at lufttætheden er nul. Vindhastigheden er et andet felt. Ved vindstille er dette felt nul, dvs. at vindhastigheden er nul. Lydniveauet er et felt, og når lyd mangler, er dette felt nul. Nogle felter er udbredt i alle retninger, andre er retningsbestemte, som f.eks. bølgerne på en vandoverflade. Lys er et felt. I mørke er dette felt nul. Faktisk er lys kun en del af det elektromagnetiske felt, nemlig et område inden for visse bølgelængder. Radiobølger og røntgenbølger repræsenterer blot længere eller kortere bølgelængder af det samme elektromagnetiske felt.

Man kan formindske bølgelængden mere og mere. Men ikke i det uendelige. Til sidst kommer man ind i kvantefysikkens verden, og når frem til den mindste bølgelængde, som det pågældende felt kan have. Man kalder dette for en partikel. I det elektromagnetiske felt er partiklen f.eks. en foton. En ­foton har ingen masse, fordi den bevæger sig gennem Higgs-feltet, som om dette ikke eksisterer. Fotonen interagerer ikke med Higgsfeltet og har derfor ­ingen masse. Det samme gælder gluoner (som ligesom kvarker indgår i protonerne). Gluoner har ingen masse som følge af, at de heller ikke interagerer med Higgs-feltet.

Partikler, som f.eks. elektroner (og protoner som i CERN's accelerator), kan påføres energi ved at øge deres ­bevægelse. Det er så bare ikke masseenergi, men bevægelsesenergi. Alle partikler har en bestemt masse (som altså kan være nul, f.eks. hos en foton), og denne masse kan udtrykkes som masseenergi. Massen ændres ikke ved bevægelse.

Til alle felter hører derfor en partikel, nemlig den mindst mulige bølge, som feltet kan have. Der kræves energi til at lave bølger og krusninger i et felt. Ligesom der kræves energi til at danne bølger på en vandoverflade, eller til at lave lyde i et rum.

Når det gælder netop Higgs-feltet, er energien for at lave den mindst mulige bølge, altså Higgs-partiklen, så høj, at det har krævet, at man må accelerere protoner op til næsten lysets hastighed i en 27 km lang Large Hadron Collider tunnel i CERN, indtil hver proton i de modsatte baner har opnået en bevægelsesenergi på 3 – 4 teraelektronvolt, og ved sammenstødet altså samlet har en energi på 6 – 8 TeV. Derved dannedes en Higgs-partikel, måske hver time. Det sker i et hav af andre sammenstød og reaktioner, men forskellige detektorer kunne påvise henfaldsspor efter Higgs-partiklen, som næsten øjeblikkeligt henfalder til f.eks. to fotoner, eller til bestemte grupper af andre partikler. Opgaven var at finde statistisk signifikante overskud af disse henfaldsprodukter fra Higgs-partikler.

De to største detektorer, ATLAS og CMS, kunne påvise Higgs-partikler på grundlag af forskellige typer af henfald. Det var altså et udmærket kontrolforsøg. Dette betyder, at man nu med sikkerhed kan sige, at man har påvist Higgs-partikler. Da man ikke kan udelukke, at der findes flere Higgs-felter, og derfor flere slags Higgs-partikler, kan man endnu ikke sige, som det er en Standardmodel-Higgs-partikel, man har fundet som tegn på eksistensen af et Standardmodel-Higgs-felt. Man kan endnu ikke udelukke, at der skal rettes lidt på Standardmodellen.

Higgs-partiklen er opkaldt efter en britisk fysiker, Peter Higgs, som var den første, der i en videnskabelig artikel i oktober 1964 om Higgs-feltet forudsagde, at partiklen måtte eksistere. Men den mekanisme (senere kaldt Higgs-mekanismen), som partiklen er udtryk for, havde François Englert og Robert Brout beskrevet i august samme år, dog uden at nævne partiklen, og i november samme år beskrev Tom Kibble, Dick Hagen og Gerald Guralnik samme (Higgs)-mekanisme. Seks forskere fra tre uafhængige grupper forudsagde altså næsten samtidigt den (Higgs-)mekanisme, som Higgs-partiklen er en del af. Med Higgs-­mekanismen menes det forhold, at partikler får deres masse ved at interagere med Higgs-feltet.

I det første billiontedel af et sekund efter Big Bang fandtes der ifølge en teori ikke partikler med masse, fordi Higgs-feltet var nul. Man ved ikke, hvorfor Higgs-feltet ikke mere er nul, og man ved ikke, hvordan partiklerne interagerer med Higgs-feltet, og hvordan de derved får deres masse. Standardmodellen i sin nuværende form omfatter ikke tyngdekraften. Higgs-feltet siger derfor intet om tyngdekraften. Det siger heller intet om mørkt stof eller mørk energi. Og det er noget sludder, at "Alt som eksisterer svømmer i et hav af Higgs-partikler". Men Higgs-feltet påvirker overalt (men ikke alt).

Lad os repetere: Standardmodellen opererer med 18 elementarpartikler, som alle på nær én er blevet påvist ved eksperimenter [kilde]. Den mystiske manglende partikel kaldes Higgs-partiklen. (Den kaldes også Higgs-bosonen eller "gude-partiklen"). Higgs-partiklen er opkaldt efter fysikeren Peter Higgs fra Edinburgh universitet, der introducerede den i 1960'erne [kilde].

Higgs-partiklen er altså den sidste og afgørende brik i partikelfysikkens Standardmodel om 18 elementarpartikler . Higgs-partiklen giver ifølge Standardmodellen alle andre partikler deres forskellige masser [kilde]. Et af målene med LHC-acceleratoren er derfor netop at påvise Higgs-partiklen [kilde].

I sig selv giver Standardmodellen ingen forudsigelse for Higgs-bosonens masse. Tidligere LEP-eksperimenter har imidlertid været i stand til at sætte en nedre grænse på 114,1 GeV/c2 ved at kigge efter direkte tegn på Higgs-bosonen [kilde]. Derudover kan man med udgangspunkt i de præcise LEP-data benytte Standardmodellen til at give en indirekte forudsigelse af Higgs-massen . Man får herved en øvre grænse på knap 200 GeV/c2[kilde].

Massen af Higgs boson partiklen måtte altså ligge mellem 114,1 GeV/c2og knapt 200 GeV/c2

At det virkelig er lykkedes at finde en Higgs-boson med en masse i overensstemmelse med LEP-grænserne er en umådelig succes for Standardmodellen . Det er også en succes for LHC-programmet, som bl.a. har haft påvisningen af Higgs-bosonens eksistens som et af sine mål[kilde].

ATLAS-eksperimenterne skulle bl.a. prøve at påvise Higgs-partiklen. Man forventede dog først at få brugbare resultater om Higgs-partiklen efter 1-3 år, da man regnede med, at det ville kræve op til 3 års dataindsamling for at få data nok til at lave et plot med rigtige begivenheder [kilde]. Et sådant plot ville så skulle bruges til at give et bud på, om Standardmodellens Higgs-partikel rent faktisk kunne findes ved en given masse (f.eks. ved 125 GeV) [kilde].

Higgs-mekanismen forklarer, hvordan elementarpartikler får masse . Higgs-mekanismen er dermed central for Standardmodellen. Uden Higgs-mekanismen ville kun masseløse partikler være tilladte [kilde]. Udover at generere masser, forudsiger Higgs-mekanismen som nævnt eksistensen af en ny partikel, den såkaldte Higgs-boson .

(Professor Holger Bech Nielsen og japanske Masao Ninomiya har været i mediernes søgelys med teoretiske spekulationer om, at LHC-acceleratoren aldrig ville komme op at køre [kilde], men blive saboteret af sin egen fremtid [kilde]. De to forskere har publiceret flere artikler, hvori de hævdede, at den dengang hypotetiske Higgs-partikel måtte være i modstrid med naturlovene. Det var den altså ikke.)

Når det overhovedet skulle give mening at kigge efter Higgs-partiklen, måtte man kræve, at der produceredes noget i retning af én Higgs-partikel i timen i acceleratoren . Det skulle så betyde, regnede man sig frem til på forhånd, at acceleratoren måtte kunne levere omtrent 109proton-proton-vekselvirkninger per sekund [kilde].

[Hyppigheden af begivenheder udregnes som produktet af "intensiteten" (hvormed de to stråler rammer hinanden – den såkaldte luminositet) og et "tværsnit" (som er en egenskab, der er knyttet til den betragtede proces)].

Man kan undre sig over, hvorfor de forskellige partikler har så forskellig masse. Men man kan mere fundamentalt undre sig over, hvorfor partiklerne overhovedet har en masse.

Man ved, at en murstens masse er summen af massen af de atomer, som murstenen består af . Men på mindre skalaer forholder det sig anderledes: Massen af et atom overstiger langt massen af de elektroner, kvarker og gluoner, som atomet består af [kilde]. Massen af atomets bestanddele kan altså ikke gøre rede for atomets samlede masse.

Protonens masse er bestemt af bevægelsen af kvarkerne og af den energi, der er knyttet til gluonfelterne, som forbinder kvarkerne [kilde]. Så hvorfor er elektronen og kvarkerne ikke bare masseløse?

Standardmodellen har et svar på disse spørgsmål. Svaret involverer en nyfortolkning af vakuum og introduktionen af Higgs-mekanismen . Higgs-mekanismen er en nødvendig del af partikelfysikernes Standardmodel for, at denne model kan beskrive naturen, som man ser den [kilde].

Vakuum er den tilstand med lavest mulig energi, som et system kan være i, når man har pumpet alt ud . Hvis man betragter Universet som vores system, er det fyldt med partikelfelter . I vakuum-tilstanden er alle disse partikler fjernet, men der er alligevel ikke helt tomt . Der kan nemlig stadig ligge et felt som baggrund. Dette baggrundsfelt kaldes Higgs-feltet. Higgs-feltet kan deformeres, eller "exciteres", ved at vekselvirke med andre ting . Excitationerne tager form som klassiske bølgepakker, hvilket i den kvantemekaniske fortolkning betyder partikler . Ud fra Higgs-feltets eksistens kunne man derfor forvente eksistensen af en Higgs-partikel [kilde].

Higgs-feltet sørger for, at alle de andre partikler opnår masse . Når elementarpartiklerne bevæger sig gennem dette baggrundsfelt (Higgs-felt), vil de vekselvirke med baggrundsfeltet. Herved bliver forholdet mellem elementarpartiklernes energi og impuls ændret . Denne ændring af elementarpartiklernes energi og impuls svarer til, at elementarpartiklerne får en masse [kilde].

Når man observerer en partikel med en høj masse, svarer det ifølge Standardmodellen til, at partiklen har en stærk vekselvirkning med Higgs-feltet . Hvis man derimod observerer en partikel med en lav masse, svarer det ifølge Standardmodellen til, at partiklen har en svag vekselvirkning med Higgs-feltet [kilde].

Den træghed, som partiklerne oplever, når de bevæger sig igennem Higgs-feltet, minder om den træghed, som lys oplever, når det bevæger sig gennem vand, hvor hastigheden bliver reduceret [kilde].

Også de såkaldte "kraftbærere" kan mærke Higgs-feltet [kilde]. Formidlerne af "den svage kernekraft", Z og W, vekselvirker meget stærkt med Higgs-feltet, – i modsætning til fotonen, der er masseløs [kilde]. (Dette forklarer forskellen i rækkevidde af den elektromagnetiske kraft og den svage kernekraft i dag [kilde]. ).

(Symmetrien mellem disse to kræfter – den elektrosvage symmetri – er brudt, eller skjult for os, på grund af den vakuumtilstand, som vores univers er i [kilde]. ).

I dag mener man, at Universet, da det opstod i Big Bang, var i en vakuumtilstand, og at alle partikler var masseløse . Universet begyndte at udvide sig, hvorved der skete en nedkøling, som betød en overgang til en ny vakuumtilstand [kilde].

Sådan en faseovergang minder om den, der sker, når vand, som ved høje temperaturer er en gas, bliver til is ved nedkøling . I den nye vakuumtilstand var Higgs-feltets forventningsværdi ikke nul mere. Dermed fik partiklerne de masser, som man kender i dag, – via vekselvirkninger med dette Higgs-baggrundsfelt [kilde].

Introduktionen af Higgs-feltet og Higgs-partiklen er en nødvendighed for at beskrive partikler med masse. Higgs-partiklen, eller i hvert fald en slags Higgs-partikel, blev set i 2012. Dette var en bekræftelse på denne del af Standardmodellen [kilde].

Med opstarten af ATLAS- og CMS-detektorerne i LHC-acceleratoren i september 2008 (og nyopstarten d. 30. marts 2010 efter uheldet) begyndte jagten på Higgs-partiklen. Ved LHC-acceleratoren ville man genskabe forhold, der minder om dem, der var i Universets allertidligste stadier, mindre end 10-12 sekunder efter Big Bang [kilde].

I forsøgene med LHC-acceleratoren blev det muligt at producere og observere Higgs-partiklen, eller i hvert fald en af Higgs-partiklerne (hvis det skulle vise sig i fremtiden, at der findes flere forskellige Higgs-partikler og Higgs-felter). Man har derved opnået en bedre forståelse af fysikken, der herskede i Universets spæde begyndelse [kilde].

Higgs-partiklen har masse, spin og en bestemt levetid, ligesom alle andre partikler [kilde]. Den har dog ikke nogen ladning. Desuden er dens levetid meget kort, 10-22 sekunder.

ATLAS- og CMS-detektorerne er designet, så de med høj præcision kan observere Higgs-partikler, hvis disse har en masse af den forudsagte størrelse . Den eneste måde, man kunne observere Higgs-partiklen på ved ATLAS- og CMS-detektorerne, var ved at studere Higgs-partiklens henfaldsprodukter [kilde].

Man kunne på forhånd sige, at hvad Higgs-partiklen henfalder ville afhænge af, hvor meget den selv vejer . Fra teoretiske beregninger såvel som tidligere eksperimentelle resultater vidste man, at Higgs-partiklens masse skulle ligge mellem 115 og 1000 GeV (dvs. i så fald 10 gange så meget som Z-partiklen) [kilde].

Higgs-partiklens masse kaldes Mh. Der var en øvre teoretisk grænse for Mh, da en Higgs-masse over dette ville medføre en såkaldt triviel teori[kilde]. Ud fra eksperimentelle data havde man også fastlagt en praktisk øvre grænse. Der var i øvrigt også en nedre teoretisk grænse for Mh, da en Higgs-masse under denne ville betyde et ustabilt vakuum [kilde].

Hvis man f.eks. kunne påvise, at Higgs-partiklen har en masse omkring 130 GeV, ville det betyde, at Standardmodellen er i stand til at beskrive verden helt op til de højeste energier og helt tilbage til det tidligste univers. Higgs-partiklen er altså en meget vigtig manglende brik i det puslespil, man kalder partikelfysikkens Standardmodel . Higgs-partiklen er afgørende for, om vores teori kan beskrive Universet helt tilbage til Big Bang [kilde].

Lad os lige præcisere forskellen mellem Higgs-partiklen og Higgs-feltet: Man kan i medierne læse om "Higgs-partiklen, hvis kraftfelt ifølge én teori knytter hele Universet sammen" . Det er ikke selve Higgs-partiklen, der i teorien knytter hele universet sammen, men derimod det kraftfelt, der kaldes "Higgs-feltet", der udgør Standardmodellens klæbemiddel . Det er nemlig sådan, at efter videnskabens opfattelse, er der tilknyttet et kraftfelt til en partikel. Egentlig bør man sige det modsatte: Der er til et kraftfelt tilknyttet en partikel (som er den mindste bølge af kraftfeltet). Det er altså så det kraftfelt, der er tilknyttet Higgs-partiklen, der ifølge den teori, som kaldes "Standardmodellen", skulle være det, der knytter hele universet sammen [kilde].

Higgs-partiklen vekselvirker stærkere med partikler, jo tungere partiklerne er . Det betyder, at en Higgs-partikel altid vil foretrække at henfalde til de tungest mulige partikler [kilde].

Hvis Higgs-partiklen f.eks. viste sig at have en masse på eller under 130 GeV, ville den henfalde til tau-leptoner eller fotoner (igennem top-kvark-henfald) [kilde].

Hvis Higgs-partiklen havde haft en masse over 130 GeV, ville den typisk være henfaldet til W- og Z-bosoner. Det ville i så fald være signaturer fra sådanne processer, man skulle kigge efter i detektoren [kilde].

Man kunne f.eks. forestille sig, at der i ATLAS-detektorkomplekset påvistes en Higgs-partikel, som var blevet skabt i den centrale proton-proton kollision, hvorefter den var henfaldet til to Z-bosoner , og at disse igen var henfaldet til to myoner og to elektroner. Det ville i så fald kun være sporene fra disse myoner og elektroner, som ville blive registreret i detektoren [kilde].

Med LHC-acceleratoren fik man en klar strategi for, hvad man skulle kigge efter for at observere Higgs-partiklen, og for at finde ud af, hvad den vejer [kilde].

LHC producerer mere end 10 millioner sammenstød per sekund. De data, der bliver gemt om disse sammenstød, vil kunne fylde CD'ere nok til at bygge en 20 km høj stak af CD'ere om året [kilde]. Kun en meget lille del af al denne data ville indeholde information om Higgs-partiklen . Faktisk ville Higgs-partiklen højst blive produceret i ét ud af 1012proton-proton sammenstød [kilde]. Der skulle altså en virkelig grundig frasortering til for at udvælge netop det, der kunne fortælle os noget om Higgs-partiklen . Denne frasortering ville aldrig kunne opsamle alle de sammenstød, hvor der var dannet en Higgs-partikel. Alt i alt forventede man, at kun omkring et par hundrede Higgs-partikler ville blive observeret i ATLAS-detektorkomplekset om året . Det ville betyde, at man i så fald måtte vente, til man havde cirka tre års data, før man kunne give et sikkert svar på gåden om Higgs-partiklen. I virkeligheden gik det noget hurtigere, før man havde fundet en Higgs-partikel. . I ventetiden brugte partikelfysikerne computersimuleringer til at træne til jagten på Higgs-partiklen .

¤¤¤

[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp#Hvad er mørkt stof?|Hvad er mørkt stof?]]
Hvis universet skulle vise sig at have en tæt energi, vil universet med tiden falde sammen. Hvis universet omvendt har en mindre tæt energi, vil universet fortsat udvide sig. Imellem disse to muligheder er der det, som man kalder den kritiske tæthed.

Man kender kun 5% af denne energitæthed i Universet. Disse 5% udgør det stof, som vi kender, (.eks. det, som en stol eller du selv er lavet af). Disse 5% kaldes den normale materie.

De resterende 95% af Universets energitæthed opdeler man i to typer, nemlig ca. 25-30% "mørkt stof" (fordi man ikke kan se det) og ca. 65-70% "mørk energi" (som man slet ikke ved, hvad er). Disse tal skyldes, at man kan udregne, hvor meget materie/energi, der må være, for at f.eks. galakserne kan rotere, når man tager deres tyngdekraft i betragtning.

Man har to forestillinger om, hvad "Mørk energi" kan være. Den simpleste forestilling kalder man "vakuumenergi" (også kaldet "den kosmologiske konstant"). Men Mørk energi kan også tænkes at bestå at ukendte elementardele.

Den mekanisme, der er forbundet med Higgs-partiklen, vil – hvis den findes – også fortælle om nogle egenskaber ved vakuum, der vil kunne kaste lys over den mørke energi, som dominerer i Universet [kilde].

Det er efter nogles partikelfysikeres mening Higgs-feltet, der kan forklare den såkaldte mørke energi, og som får det universelle rum til at ekspandere med en accelererende hastighed [kilde].

¤¤¤

[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp#Hvad er supersymmetri?|Hvad er supersymmetri?]]
Symmetrier spiller en helt central rolle i fundamentale teorier om naturen . Ordet "symmetri" bruges dog her i en anden betydning end det alment kendte symmetribegreb . En symmetri i denne anden forstand er en transformation af et fysisk system, der efterlader systemets vekselvirkninger uforandrede [kilde]. : Når man kan spille fodbold i et tog, der kører, skyldes det, at naturlovene ikke ændrer sig, bare fordi man kører 120 km/t .

Det er også normalt en fundamental antagelse, at de grundlæggende naturlove er de samme alle steder : Man kan transformere koordinaterne for et fysisk system ved en vilkårlig flytning og tilskrive det en vilkårlig hastighed, og alligevel vil naturlovene stadig være uforandrede [kilde].

Symmetrier i mikrokosmos er normalt formuleret i termer af, hvad en given naturkraft "kan se forskel på" : Som eksempel kan man kigge på Solsystemet . Tyngdekraften er et godt eksempel på en naturkraft, der adlyder spejlsymmetri : Man ser ingen fysiske love overtrådt, hvis man kigger på et spejlbillede af solsystemet [kilde].

Den svage kernekraft adlyder derimod ikke spejlsymmetri . Netop dette såkaldte "paritetsbrud" var en af de centrale opdagelser i det 20. århundrede på vej mod en forståelse af naturkræfterne [kilde].

Supersymmetri ("SUSY") er ikke én teori, men snarere et princip, der har givet anledning til hundredevis af forskellige forslag til, hvordan naturen kunne hænge sammen [kilde]. Disse "forslag" kaldes for modeller[kilde]. Modeller har altid været en central del af fysikeres arbejde [kilde].

Supersymmetri-modellerne er en af de mest lovende udvidelser til partikelfysikkens Standardmodel [kilde].

Supersymmetri er et princip om, at naturen indeholder en symmetri mellem partikler med forskelligt spin . Ifølge princippet skulle der til hver partikel i naturen findes en partikel, der er fuldstændig identisk, blot med et spin, der afviger [kilde].

Supersymmetri betyder, at der til alle de partikler, som man kender i Standardmodellen, findes en såkaldt superpartner. Når supersymmetri er "super" betyder det, at det er en symmetri mellem partikler med halvtalligt spin (fermioner med "spin = 1/2") og partikler med heltalligt spin (bosoner med "spin = 1") [kilde].

Fermioner er de basale byggesten til alt stof. I Standardmodellen er der 12 typer af fermioner, nemlig 6 kvarker og 6 leptoner.

De 6 kvarker er 3 positivt ladede up-type kvarker (kaldet up-, charm- og top-kvark) og 3 negativt ladede down-type kvarker (kaldet down-, strange- og bottom-kvarker). De har så også alle deres antipartikel med modsat ladning.

De 6 leptoner er 3 negativt ladede elektron-type leptoner (kaldet elektron, myon og tauon, alle med ladningen -1) og 3 ikke-ladede neutrino-type leptoner (kaldet elektron-, myon- og tauon-neutrino). De har så også alle deres antipartikel.

Til hver fermion i Standardmodellen svarer en boson med nøjagtig samme egenskaber . Det gælder selvfølgelig også omvendt: Til hver boson i Standardmodellen svarer en fermion med nøjagtig samme egenskaber . Specifikt skal massen og ladningen være den samme hos to modsvarende fermioner og bosoner [kilde].

De nye partikler ifølge Supersymmetri-princippet har navne baseret på navnene ifølge Standardmodellen [kilde]. Fermioners superpartnere er navngivet ved at sætte et "s" foran partikelnavnet. Således kaldes elektronens superpartner "en selektron", kvarkens superpartner kaldes "en skvark" osv. ).

Bosonerne har "heltalligt spin" (spin = "1"). Ifølge Standardmodellen findes følgende bosoner: W- boson (der har ladningen -1; og dens antipartikel W+, der har ladningen +1), Z boson, gluon (g), Higgs boson, foton (der alle – formentlig også Higgs boson – er uden ladning). Gravitonen (betegnet G og kaldt en boson med spin = 2) er ligesom Higgs boson ikke bekræftet, men forudsiges af visse kvantefeltteorier (den forudsiges ikke af Standardmodellen [kilde]. ).

Bosonernes superpartnere ifølge Supersymmetri-princippet er navngivet ved at sætte endelsen "-ino" på . Således kaldes W- partiklens superpartner "en Wino", fotonens superpartner kaldes "en fotino" og gluonens superpartner kaldes "en gluino" [kilde].

Ifølge Supersymmetri-princippet skulle elektronen altså være parret med "en selektron", fotonen med "en fotino" og så videre . (De fysisk observerede partikler i nogle modeller vil være superpositioner af disse partnere, hvorfor man ofte taler om gauginoer (partnere til gaugebosoner). Man inddeler ofte blot de nye supersymmetriske fermioner i ladede charginoer og ikke-ladede neutralinoer [kilde].)

Modeller, der gør brug af Supersymmetri-princippet, indeholder en utroligt rig fænomenologi . I stedet for én Higgspartikel får man således fem : Higgs-sektoren bliver altså voldsomt meget mere kompleks i supersymmetriske teorier . (I supersymmetriske teorier kaldes Higgs-partiklernes superpartnere "higgsinoer", og disse higgsinoer kan mixe med gauginoerne [kilde]. ).

Egenskaberne ved supersymmetri er åbenlyst ikke realiseret i naturen som en eksakt symmetri [kilde].

Det hypotetiske supersymmetriprincip har visse tiltrækkende egenskaber:

1) Det er muligt at opskrive en supersymmetrisk og forenet teori ved høje energier, der nøjagtigt giver Standardmodellen ved de energier, som man kender [kilde].

2) Supersymmetri kan på naturlig vis forklare tilstedeværelsen af det såkaldte "mørke stof" i Universet [kilde].

3) Udover at kunne forene naturkræfterne har supersymmetri også den behagelige egenskab, at korrektionerne til Higgs-massen bliver væsentligt mindre [kilde]. Dette skyldes, at alle superpartnerne bidrager med modsat fortegn [kilde].

Supersymmetri-princippet kan medføre, at Higgs-massen bliver stabil[kilde]. (Dette lader sig dog kun gøre, hvis de letteste supersymmetri-partikler er lettere end 1 TeV . – Man taler om supersymmetri ved TeV-skalaen . (1 TeV, teraelektronvolt, er lig med 1000 GeV, gigaelektronvolt)).

Man har ved hjælp af supersymmetri-princippet lavet modelteorier, hvor naturkræfterne er forenet ved høje energier . De ekstra partikler i teorien korrigerer koblingskonstanterne, så de mødes [kilde]. (I en type af teorier, som kaldes Minimal Super-Gravity, er det tyngdekraften, der bryder supersymmetri . ).

Large Hadron Collider (LHC-acceleratoren) på CERN giver bedre muligheder end nogensinde før for at undersøge om, supersymmetri-princippet er en del af naturen [kilde].

Hvis supersymmetri findes i naturen ved TeV-skalaen, burde supersymmetriske partikler kunne dannes i sammenstød i LHC-acceleratoren [kilde]. Disse partikler vil henfalde i kaskader til "den letteste supersymmetriske partikel" (LSP), Partikler, der tyder på supersymmetri-princippet, kan altså vise sig ved LHC-eksperimenterne[kilde]. En kvarks superpartner (skvark) kan f.eks. tænkes at henfalde igennem en kaskade af sekundære partikler (via en neutralino og en slepton) til "den letteste supersymmetriske partikel" (LSP) [kilde]. (I dette tilfælde er LSP endnu en neutralino . ). Denne partikel er stabil og vekselvirker kun gennem den svage kernekraft . Den er derfor at betragte som en "tung neutrino". Den undslipper derfor detektoren uopdaget, men efterlader en ubalance . Denne ubalance kan kvantificeres ved at betragte begivenheden i et plan vinkelret (transverst) på protonstråle-aksen . Impulsbevarelse i dette plan giver os mulighed for at kvantificere størrelse og retning af den manglende, vinkelrette impuls [kilde].

(Neutrinoer har man længe anset for at være masseløse, men de har en meget lille masse ifølge Super Kamiokande eksperimentet i Japan: ["Detecting Neutrino Mass," af Edward Kearns, Takaaki Kajita og Yoji Totsuka; Scientific American, august 1999]. Neutrinoen kan tænkes at opnå sin masse ved at vekselvirke med et partnerfelt, som lever i de ekstra dimensioner. Som med gravitationen fortyndes vekselvirkningen meget af, at partneren spredes gennem de ekstra dimensioner og så opnår neutrinoen kun en lille masse.[kilde]. )

Supersymmetri-begivenheder er i de fleste modeller kendetegnet ved en meget høj grad af aktivitet . (I dette tilfælde kommer der fra denne ene supersymmetriske partikel en jet og to leptoner [kilde].)

Et eksempel på en supersymmetri-model er f.eks. den model, der kaldes "SPS 1a", hvor partiklerne er inddelt i familierne: Higgspartikler, sleptoner, charginoer/neutralinoer (superpartnere til W-, Z- og Higgs-partiklerne) samt skvarker + gluinoen [kilde]. Den letteste partikel er en neutralino [kilde]. I denne model er skvarkerne forholdsvis tunge, og der er et rigt udvalg af henfaldskæder til "den letteste supersymmetriske partikel" (LSP) . I kollisionen vil der ifølge denne model være dannet to supersymmetriske partikler, hvoraf den anden oftest går til tre jets og en neutralino [kilde]. For at teste om "SPS 1a" er en god supersymmetri-model, skal man kigge efter følgende elementer: To leptoner af samme type, men med modsat ladning, og fire jets (idet en jet opstår, når en kvark eller en gluon udsendes med stor energi).

Idet de forskellige supersymmetri-modeller forudsiger et komplet spektrum af partikler, er det imidlertid ikke nok at pege på en bestemt begivenhed og sige: "SUSY!" . Man er også nødt til at rekonstruere masserne af de involverede partikler og sammenligne med forskellige supersymmetri-modeller . Efterhånden som fysikernes data bliver mere og mere præcise vil man blive i stand til at udelukke eller bestyrke supersymmetri-modeller gennem sådanne målinger [kilde].

ATLAS-detektorerne skal sammen med CMS- og LHCb-detektorerne afsløre, om de kendte partikler (fermioner og bosoner) har supersymmetriske partnere, og hvilken rolle et sådan supersymmetri-princip kan have i en forenet teori [kilde].

¤¤¤

Tegn abonnement på

BioNyt Videnskabens Verden (www.bionyt.dk) er Danmarks ældste populærvidenskabelige tidsskrift for naturvidenskab. Det er det eneste blad af sin art i Danmark, som er helliget international forskning inden for livsvidenskaberne.

Bladet bringer aktuelle, spændende forskningsnyheder inden for biologi, medicin og andre naturvidenskabelige områder som f.eks. klimaændringer, nanoteknologi, partikelfysik, astronomi, seksualitet, biologiske våben, ecstasy, evolutionsbiologi, kloning, fedme, søvnforskning, muligheden for liv på mars, influenzaepidemier, livets opståen osv.

Artiklerne roses for at gøre vanskeligt stof forståeligt, uden at den videnskabelige holdbarhed tabes.