elementærpartikkelfysikk

For å studere partiklenes oppførsel må fysikerne ha tilgang på partikkelstråler som kan kollidere med stoff som også inneholder partikler. Noe stråling kan vi få fra naturlig kosmisk stråling. Tidligere brukte en, i kosmisk stråling, ofte et såkalt boblekammer der elementærpartikler med elektrisk ladning laga ionisasjonsspor som kunne fanges opp på film. Nå er det vanlig å bruke elektron eller proton som kan akselereres i en akselerator.

I en akselerator akselereres partiklene i et elektrisk felt. For å unngå at akseleratoren skal bli for lang, kan vi la partikkelstrålen gå i ring, slik at partiklene passerer de samme akselerasjonsfelta flere ganger. Til å avbøye strålen langs ringen brukes sterke magneter. Ved hjelp av stadig bedre teknologi har vi på denne måten klart å skaffe seg stråler av elektron og proton, samt antipartiklene deres. Fysikerne har så fått disse partikkelstrålene til å kollidere med hverandre med stadig større energier.

Partiklene som kommer ut fra kollisjoner av partikkelstråler, studeres ved ulike typer detektorer. I slike detektorer kan fysikerne identifisere de ulike partikkeltypene ved å bestemme energien og farten deres etter kollisjonen. Her brukes avansert elektronikk, der partiklene som kommer ut av kollisjonen, treffer følsomme celler som via kabler sender signaler til datamaskiner. Disse datamaskinene bearbeider signala og rekonstruerer kollisjonen. Ut av kollisjonen kan det komme velkjente partikler, men også mer eksotiske ustabile partikler som i løpet av svært kort tid forsvinner (går sund) og omdannes til andre lettere partikler. Slik omdanning av ustabile partikler kalles desintegrasjon, henfall, eller sundfall.

• Les mer: Beskrivelse av hva slags elementærpartikler som finns i naturen

I moderne akseleratorer lar fysikerne to stråler gå langs ringen i motsatte omløpsretninger, slik at partikler kolliderer ved bestemte punkt langs ringen. På engelsk kalles slike akseleratorer (maskiner) collider. Maskinen LHC (og tidligere LEP) ved CERN er en slik «collider».

I atomfysikk beskrives den elektromagnetiske vekselvirkninga mellom et elektron og kjernen ved hjelp av et coulombpotensial (se coulombkraft). Denne beskrivelsen som er basert på ikke-relativistisk kvanteteori, er i godt samsvar med observasjoner for et atom der partiklene har liten fart. Men i elementærpartikkelfysikk der partiklene har stor energi og fart, må beskrivelsen være i samsvar med relativitetsteorien. Det er også en svært viktig egenskap ved relativistisk teori at antall partikler ikke er bevart. Partikler kan oppstå og forsvinne (dette kalles kvantefluktuasjoner), men den totale energien er bevart, i samsvar med Albert Einsteins berømte likning E = m·c².

I partikkelfysikk beskrives vekselvirkningene, det vil si kreftene mellom partiklene, ved hjelp av kvantefeltteori. Til hver partikkeltype svarer det et (kvante-)felt, og partiklene kan oppfattes som eksitasjoner av dette feltet (eventuelt kan vi si at en partikkel er en materialisering av det tilhørende feltet). Vekselvirkninga mellom to fermion beskrives som utveksling av en spesiell type boson kalt vekselvirkningspartikler, kraftformidlere eller justerboson (engelsk gauge bosons, se justerteori).

Slik utveksling av kraftformidlingspartikler har blitt forklart med en analogi fra dagliglivet: Tenk på to lette robåter med en person i hver båt. Den ene personen kaster så en stein som veier for eksempel et par kilogram over til den andre personen, som tar i mot steinen. Da beveger de to båtene seg fra hverandre fordi de har blitt påvirka av frastøtende krefter.

Dersom styrken i vekselvirkninga ikke er for stor, kan en prosess beskrives som en serie vekselvirkninger der utveksling av ett boson er mest sannsynlig, utveksling av to boson er litt mindre sannsynlig, og så videre. Sannsynligheten for en gitt prosess er da gitt ved en (i prinsippet) uendelig sum av slike utvekslinger. Tar vi med to ledd i rekka blir svaret mindre nøyaktig enn om vi tar med tre, og så videre.

Vi snakker om fire typer krefter (vekselvirkninger): Gravitasjon, elektromagnetisme, svak og sterk vekselvirkning. Tidligere omtalte fysikerne svak (veik) og sterk vekselvirkning som svak og sterk kjernekraft, noe som i dag kan være litt misvisende. Det finns generelt et sett av justerboson for hver type vekselvirkning. I elektromagnetisk vekselvirkning finns ett slikt boson, fotonet, det vil si det elementære lyskvantet. For eksempel vil et coulombpotensial mellom to elektron svare til utveksling av ett foton mellom elektrona (se figur 1). Denne typen kvantefeltteori kalles kvante elektrodynamikk, ofte forkorta til QED (engelsk Quantum electrodynamics).

I svak vekselvirkning utveksles tunge boson (kalt W^± og Z). I sterk vekselvirkning, kalt kvantekromodynamikk (QCD) utveksles et sett av åtte gluon (av engelsk glue= lim). For energier større enn omtrent 1 GeV (det vil si energier svarende til omtrent nukleonmassen) kan vi beskrive sterk vekselvirkning mellom kvarker som utveksling av slike gluonpartikler (se avsnittet om sterk vekselvirkning lenger ned).

Bildet som er skildra over, der fermion vekselvirker ved å utveksle boson, er gyldig for elektrosvak vekselvirkning. Det er også gyldig i kvantekromodynamikk ved energier over for eksempel 1–2 GeV. En slik beskrivelse er ikke gyldig i sterk vekselvirkning ved energier under cirka 1 GeV. Når beskrivelsen er gyldig, kan prosessene illustreres ved hjelp av enkle diagram, såkalte Feynman-diagram oppkalt etter Richard Feynman som først tok i bruk slike diagram (se figurene 1–8). I en slik beskrivelse er utveksling av ett boson mest sannsynlig, utveksling av to boson er litt mindre sannsynlig, utveksling av tre boson enda litt mindre sannsynlig, og så videre (se kvantefeltteori). Et Feynman-diagram er et grafisk bilde av de matematiske uttrykka for en gitt prosess. Hva som egentlig skjer inni de ørsmå områda der vekselvirkninga foregår veit vi ikke. Det vi veit er hva slags partikler som går inn i prosessen (gjerne en kollisjon) og hva slags partikler som kommer ut av prosessen. Og vi veit at Feynman-diagram gir en matematisk beskrivelse som stemmer med det vi kan måle.

I figur 1 er en kollisjon mellom to elektron illustrert ved det enklest mulige Feynman-diagrammet. De to rette linjene som går mot hverandre illustrerer de to elektrona før kollisjonen. Kollisjonen representeres (i enkleste tilfelle) ved utveksling av ett foton. Dette er illustrert ved den bølga linja. Etter dette går elektrona fra hverandre ut av kollisjonen.

Figur 2 illustrerer et elektron som kolliderer med et proton. Dette skjer ved at elektronet vekselvirker med en kvark inni protonet ved utveksling av et foton. Ved små energier opp til for eksempel 100 MeV, vil denne kvarken etter kollisjonen holde seg sammen med de to andre kvarkene i protonet på grunn av den sterke vekselvirkninga (farge-innestengninga) mellom kvarkene. Ved større energier kan det dannes et ekstra kvark-antikvark par. Protonet kan da brytes opp, og det kan for eksempel dannes ett nukleon og noen pi-meson. Slike prosesser blei studert ved Stanford Linear Accelerator Center, SLAC i California, USA, rundt 1970, og det en så blei forklart slik: Når det innkommende elektronet har stor energi, vil en del av denne, via det virtuelle fotonet, overføres til den spredte kvarken som dermed får stor energi og forskjellig retning fra de to andre kvarkene. Kvarkene vil etter hvert stråle gluon som igjen danner kvark-antikvark-par. Som nevnt tidligere kan ikke kvarker eller gluon eksistere som frie partikler, og de ulike kvarkene, antikvarkene og gluona vil slå seg sammen til ulike hadron som kommer ut av kollisjonen.

Figur 3 illustrerer beta-desintegrasjon (beta-sundfall). En av d-kvarkene i nøytronet sender ut et negativt ladd (og virtuelt) W-boson og omdannes dermed til en u-kvark. Det virtuelle W-bosonet omdannes så til et elektron og et anti-elektronøytrino (en antipartikkel illustreres med pil bakover i forhold til tids-retninga).

Figur 4 viser sundfalls-prosessen \(\pi^+ \rightarrow\) μ⁺ν_μ, ved at u- og anti-d- kvarken i pionet annihilerer til et virtuelt W⁺ som igjen omdannes til et leptonpar ( μ⁺og ν_μ).

Figur 5 viser mekanismen for produksjon av et fysisk W-boson fra en kollisjon mellom et proton og et antiproton, slik det kunne foregå på CERN i 1983. Det som skjer i en slik prosess er at en kvark fra protonet annihilerer med en antikvark fra antiprotonet og danner et fysisk W-boson. Dette kunne påvises ved at det ut fra kollisjonen kunne komme et elektron og et nøytrino, begge med en energi som er omkring halvparten av W-bosonets hvileenergi. Det fysikerne så var konsistent med at et W-boson hadde desintegrert og blitt omdanna til et elektron og et nøytrino. (Men det bare elektronet som kan observeres. Nøytrinoet vekselvirker ekstremt svakt og bare forsvinner). De to gjenværende kvarkene fra protonet og de to gjenværende antikvarkene fra antiprotonet kan for eksempel stråle gluon som i noen tilfeller kan omdannes til et kvark-antikvark par. Til slutt vil alle kvarker, gluon og antikvarker slå seg sammen til flere hadron.

I figur 6 ser vi et e⁺e^– par som annihilerer til et (virtuelt) foton eller Z-boson. Det virtuelle bosonet kan så omdannes til et eller annet fermion-antifermion-par så sant det er nok energi til dette. Dette er en type prosess som fysikere tidligere studerte ved DESY i Hamburg og på LEP-maskinen ved CERN i Genève. På LEP var energien stor nok til at det kunne produseres et fysisk Z-boson. Seinere kunne energien også økes slik at det kunne produseres et fysisk W⁺ W^--par.

Et svært viktig resultat fra LEP-maskinen er at det finns bare tre lette nøytrinotyper. Men fortsatt kan det tenkes at det finnes nøytrale eksotiske partikler med masse større enn halvparten av Z-boson-massen.

Dersom det i e⁺e^–-kollisjoner produseres et par med én kvark og én antikvark, vil disse stråle gluon som igjen kan bli til nye kvark-antikvark-par slik at det dannes en skur av hadron. Men det viser seg at det er en tendens til at det kommer ut energirike partikler i to «bunter» i retninga til de opphavlige kvarkene. En slik energirik bunt med partikler (hadron) kalles en jet. Ved DESY fant fysikere i 1979 en såkalt 3-jet prosess (figur 7). Her stråler enten kvarken eller antikvarken et hardt gluon, og kvarken, antikvarken og gluonet lager én jet hver. Dette blei tatt som et indirekte bevis for eksistensen av gluonet.

I figur 8 illustreres produksjonen av en higgspartikkel ved LHC som kan foregå slik: To proton med energi på opptil 7 TeV kolliderer. Ved så store energier inneholder protonet både kvarker og gluon. Ett gluon fra hvert proton kan kollidere og danne et top-antitop kvarkpar, som igjen fusjonerer til en higgspartikkel. Denne higgspartikkelen desintegrerer så til et top-antitop-par som så annihilerer til to foton. Det var ved å finne to svært energirike foton at higgspartikkelen blei oppdaga.

I partikkelfysikken spiller bevaringslover en stor rolle. Størrelser som total elektrisk ladning, total energi og driv (ofte kalt bevegelsesmengde) er bevart i alle fysiske prosesser. (For det engelske ordet momentum kan vi bruke på norsk: driv, massefart, bevegelsesmengde eller rørslemengd ). I en prosess kan partikler forsvinne og nye oppstå, men energien er den samme før som etter prosessen når en tar i betraktning partiklenes hvilemasse m, som ifølgje Einsteins formel representerer en energi E = m·c². Bevart er også totalt spinn, det vil si summen av alle egenspinn, og alle banespinn (som også kan kalles drivmoment eller impulsmoment).

Også kvantetall som baryontall og (totalt) leptontall (se lepton) er bevart, så langt det har blitt målt (se også elementærpartikkel). I prosesser målt i ett og samme laboratorium ser det ut til også at de tre leptontalla er bevart hver for seg. Men fordi nøytrinoa har masse (som er veldig liten!) er ikke de tre leptontalla bevart hver for seg. Og i hypotetiske modeller som er lansert, vil det kunne bli små avvik fra bevaring av disse. For eksempel vil en prosess som \(\mu^- \rightarrow e^- \gamma \) være forenlig med bevaring av total energi, driv, spinn, og elektrisk ladning, men den bevarer ikke leptontalla L_e og L_μ. Denne prosessen er aldri observert. Dersom den skulle eksistere, vil den ha en relativ sannsynlighet på mindre enn 5,7 × 10^–13 i forhold til den dominerende desintegrasjonsmåten \(\mu^- \rightarrow e^- \bar{\nu}_e \nu_\mu\).

I et eksperiment ved Super-Kamiokande i Japan i 1998 fant fysikere for første gang nøytrinooscillasjoner (se nøytrino), det vil si at en nøytrinotype kunne omdannes til en annen. Andre eksperiment der et nøytrino beveger seg over lange avstander (for eksempel et par hundre kilometer, eller tvers gjennom jordkloden, eller fra Sola til Jorda) støtter denne konklusjonen. Dermed er altså de tre leptontalla ikke bevart hver for seg. Men alt tyder foreløpig på at summen av leptontalla er bevart. Dessuten må minst én av massene til de tre nøytrinotypene være forskjellig fra null. Her trengs flere eksperiment for å få detaljene på plass.

I partikkelfysikk er følgende tre (matematiske) operasjoner svært viktige for de dynamiske likningene:

1. Ladningskonjugasjon, C, det vil si fortegnsskifte av alle typer ladninger, eller: alle partiklene byttes ut med de tilsvarende antipartiklene (for fargeladning rød→antirød, og så videre.).

2. Paritetstransformasjon, P (speiling), der posisjon og fart snus om, det vil si bytter fortegn, mens alle spinn (egenspinn og banespinn) ikke endres.

3. Tidsreversjon, T, det vil si at tida snus, det vil si at tida skifter fortegn i de dynamiske likningene.

Både sterk og elektromagnetisk vekselvirkning (og gravitasjon) er symmetriske ved disse tre operasjonene. Dette gjelder ikke i svak vekselvirkning. K-meson (kaon) og \(pi\) -meson (pion) er pseudoskalare partikler som har en negativ (indre) paritet (skalare og pseodoskalare partikler har spinn lik null). Før 1956 var det et mysterium at et K-meson kunne desintegrere både til to og tre pion dersom paritet var bevart. For å kunne forklare at dette var mulig foreslo de kinesisk-amerikanske fysikerne Tsung Dao Lee og Chen Ning Yang i 1956 at speilingssymmetri ikke var bevart, og viste med det at regnestykket kunne gå opp. For dette ble de i 1957 tildelt Nobelprisen.

I 1957 ble det så påvist at P-symmetri også var brutt i beta-desintegrasjon. En mente etter dette at C-symmetri også var brutt på en slik måte at kombinasjonen av speilingssymmetri (paritet P) og ladningssymmetri (C) , det vil si CP-symmetri, fortsatt var en gyldig symmetri i svak vekselvirkning. Dette kan ses ved at prosessen \(\pi^- \, \rightarrow \, \mu^- \, \overline{\nu_\mu} \) har en like stor sannsynlighet som \(\pi^+ \, \rightarrow \, \mu^+ \, \nu_\mu \). I 1964 fant en så et mindre brudd også på CP-symmetri når nøytrale K-meson desintegrerer til to \(\pi\)-meson (se CP-symmetri og antimaterie). James Watson Cronin og Val Logsdon Fitch, begge USA, ble i 1980 tildelt Nobelprisen for denne oppdagelsen. I 1999 påviste fysikere eksperimentelt (på Fermilab og ved CERN) at bruddet på CP-symmetri er litt forskjellig når et nøytralt K-meson omdannes til to elektrisk nøytrale \( \pi \)-meson, sammenlikna med to ladde \(\pi\)-meson (ett med ladning pluss og ett med ladning minus). Seinere (i 2001) har en også sett brudd på CP-symmetrien ved desintegrasjon av B-meson.

Hittil tyder alt på at kombinasjonen CPT er en gyldig symmetri. Denne symmetrien er bygd inn i all kvantefeltteori, som all partikkelfysikk er bygd på. CPT-symmetri innebærer blant annet at en partikkel har samme masse som sin antipartikkel. Det foregår fortsatt tester av CP-, T-, og CPT-symmetri. Studiet av brudd på disse symmetriene er viktige, fordi det ifølge moderne kosmologi må ha skjedd et brudd på CP-symmetri i det tidlige universet, like etter «big bang». Da var universet en slags gass (eller plasma) av lepton og kvarker, foton og andre justerboson med ekstremt høg temperatur (se big bang, kosmologi, antimaterie). Den russiske fysikeren Andrej Sakharov formulerte i 1967 fire vilkår for at universet skulle ha utvikla en ubalanse mellom materie og antimaterie like etter «big bang»: Det måtte ha vært brudd på baryontall (B), på C-symmetri og CP-symmetri. I tillegg måtte bruddet på disse symmetriene skjedd samtidig med en termisk ustabilitet.

Det vi nå veit om de tolv fundamentale fermiona (lepton og kvarker) og vekselvirkningene deres, det vil si elektrosvak teori, formidla av fotonet (γ), W^± og Z-bosona, og kvantekromodynamikk, formidla av gluona, er samla i den såkalte Standardmodellen for elementærpartikkelfysikk. Alle observasjoner stemmer overens med denne, så langt det har blitt målt hittil. I 2012 fant fysikere ved CERN den siste byggesteinen, higgspartikkelen ved LHC-eksperimenta ved CERN. Higgsfeltet er ansvarlig for massene til W^± og Z-bosonene og til alle fermionene, med et mulig unntak for nøytrinoa. De ørsmå nøytrinomassene kan kanskje ha et mer eksotisk opphav. Standardmodellen er en matematisk konsistent teori, formulert som justerteori og burde hatt navnet Standardteorien, men har beholdt det gamle navnet fra den tida teorien var mindre etablert.

Sjøl om standardmodellen hittil (mars 2022) ser ut til å være i samsvar med alle fenomen innafor elementærpartikkelfysikken, er det en del spørsmål den ikke gir svar på. Et eksempel er opphavet til ubalansen mellom materie og antimaterie i universet. De CP-brytende effektene en ser i desintegrasjon av K- og B-meson i laboratoriet ser ut til å forklares innafor standardmodellen, men de kan ikke forklare det CP-bruddet som må ha foregått like etter big bang. Og standardmodellen inneholder heller ingen baryontall-brytende effekter. Opphavet til de ørsmå nøytrinomassene er også uklar. Mange fysikere venter at det ved energier som er høgere enn de som er tilgjengelige i dag, eller kanskje alt på LHC-maskinen ved CERN kan oppstå nye fenomen og oppdages nye partikler. Det kan tenkes at de ørsmå nøytrinomassene indirekte kan ha sammenheng med fysikk utover standardmodellen.

Med «ny fysikk» mener vi her fenomen som ikke kan forklares innafor standardmodellen. Fysikerne tenker seg at ny fysikk ikke er et alternativ til standardmodellen, men et supplement som sammen med standardmodellen gir oss et enda mer fullstendig bilde av elementærpartikkelfysikken.

Det er to måter slik ny fysikk kan påvises eksperimentelt. Den ene er å påvise eksistensen av en ny tung partikkel direkte ved å ha tilstrekkelig energi på partikkelstrålene i en akselerator. Den andre måten er å se etter svært sjeldne prosesser som er forbudt innafor standardmodellen. Et eksempel er nye (tunge) partikler og justerboson som kan manifestere seg indirekte gjennom kvantefluktuasjoner på en slik måte at prosesser som er forbudt i eller svært sjeldne i standardmodellen, kan foregå med en sannsynlighet som er forskjellig fra den teoretiske som kan beregnes ut fra Standardmodellen. Prosessen \(\mu^- \rightarrow e^- \gamma\) har alt vært nevnt som en slik hypotetisk mulighet.

En har konstruert teorier som forener elektrosvak og sterk vekselvirkning, såkalte «Grand Unified Theories», forkorta til GUT (se forent teori). En konsekvens av slike teorier er at protonet er ustabilt og desintegrere som \(p \rightarrow \pi^0 e^+\). Dette ville bety at baryontall er brutt. Fysikere har prøvd å se etter en slik prosess ved å plassere store mengder vann (for eksempel omkring tusen tonn) i nedlagte gruver langt under jordoverflata skjerma for kosmisk stråling. Hittil finns ingen tegn på at protonet er ustabilt, men fysikerne fant ut at protonet har ei levetid på mer enn 10³¹ år. (Dersom protonet har ei levetid på 10³¹ år, vil ett av 10³¹ proton desintegrere i løpet av ett år.) En slik prosess vil være mulig innafor en eventuell forent teori for elektrosvak og sterk vekselvirkning. Ifølge slike teorier må det finns ekstremt tunge boson (med masse av størrelsesorden 10¹⁶ GeV/c²) som formidler vekselvirkninger som bryter baryontall (B). Ved en slik enorm masseskala skal ifølge denne teorien elektrosvak og sterk vekselvirkning ha samme styrke, mens den sterke («fargekraft»-) vekselvirkninga er om lag 15 ganger sterkere enn elektromagnetisk vekselvirkning ved energien m_Zc². For energier omkring 1 GeV blir den sterke vekselvirkninga mer enn hundre ganger sterkere enn den elektromagnetiske, og til slutt blir fargekrafta så sterk at kvarkene ikke slipper ut av nukleonet

En annen hypotetisk utviding av standardmodellen er supersymmetri. Dette er en boson-fermion symmetri: Til hvert fermion skal det i slike teorier finns et tilsvarende boson med samme sett kvantetall, og omvendt. Men de eventuelle supersymmetriske partiklene vil være en god del tyngre enn sine kjente partnere. Dette betyr (minst) en fordobling av det kjente partikkelspekteret. Mange mener at supersymmetri er nødvendig for å inkludere gravitasjon i en forent teori for alle typer vekselvirkninger. Men hittil (2022) er det – trass iherdig leiting i eksperimentelle data – ingen klare tegn på at supersymmetriske partikler finns i naturen.

Å påvise eventuelle utvidelser av Standardmodellen er ikke bare viktig for forståelsen av elementærpartikkelfysikken. En utvidelse som også omfatter gravitasjon, vil kunne bidra til ny forståelse av det tidlige universet, en ekstremt liten brøkdel av et sekund etter «big bang». Standardmodellen forutsier CP-brytende effekter, men effektene er ofte små. Men utvidelser av Standardmodellen inneholder ofte flere CP-brytende effekter enn Standardmodellen. Derfor er studiet av CP-brudd potensielt en innfallsport til «ny fysikk» dersom det blir oppdaga effekter som er større enn dem som Standardmodellen forutsier.

Per 2022 har fysikerne ikke påvist nye partikler eller nye typer vekselvirkninger som ikke finns i standardmodellen. Likevel har vi hint om at det må finns hittil ukjent («ny») fysikk i vårt univers. Standardmodellen for partikkelfysikk kan ikke forklare at det (nesten) bare finns materie omkring oss. Fysikerne har sterke holdepunkt for at det må finns mye ukjent mørk materie i universet. Kanskje trenger også de små observerte nøytrinomassene ei forklaring innafor «ny fysikk».

Se også TOE (Teorien for alt, engelsk: Theory of everything)

• standardmodellen
• fysikk
• fysikkens historie