Higgs-partiklen

Higgs-mekanismen blev foreslået i 1964 i en række uafhængige artikler af seks fysikere: François Englert og Robert Brout; Peter Higgs; samt Gerald Guralnik, C. R. Hagen og Tom Kibble. Ideen var, at et felt med en særlig egenskab, kaldet spontant symmetribrud, kunne give partikler masse uden at ødelægge de matematiske strukturer i de underliggende teorier.

Higgs-partiklen er det kvantum, der hører til dette felt. I praksis krediteres Englert og Brout på samme niveau som Higgs, da alle tre pegede på, at mekanismen burde ledsages af en målbar partikel. Efter observationen i 2012 modtog Higgs og Englert Nobelprisen i fysik i 2013. Brout døde i 2011, og Nobelprisen uddeles kun til nulevende forskere.

Efter at Higgs-partiklen var blevet forudsagt teoretisk, var det ikke klart, at den faktisk var nødvendig for, at Standardmodellen kunne hænge matematisk sammen. På dette tidspunkt var modellen endnu ikke fuldt udviklet. De dele, der beskriver den elektrosvage kraft, blev først færdiggjort i løbet af 1970’erne af Steven Weinberg, Abdus Salam og Sheldon Glashow, og senere systematiseret gennem det matematiske arbejde af Gerard ’t Hooft og Martinus Veltman. Først efter at W-partiklen og Z-partiklen blev opdaget eksperimentelt i 1983 ved CERN, stod det klart, at Standardmodellen ikke var matematisk konsistent uden en Higgs-partikel, der kan give masse til W- og Z-bosonerne. Problemet var nu, at teorien ikke forudsiger Higgs-partiklens masse, og man vidste derfor ikke, hvor man skulle lede.

Ved LEP-acceleratoren i 1990’erne blev store mængder data brugt til at lede efter Higgs-partikler, men uden fund, fordi energien ikke var høj nok. LEP satte dog en vigtig nedre grænse for massen. LEP2, med højere energi, indsnævrede det mulige masseområde yderligere, men måtte lukkes i 2000 for at give plads til opførelsen af LHC.

I USA blev byggeriet af Superconducting Super Collider (SSC) påbegyndt i 1983. Denne accelerator ville have haft tilstrækkelig energi til at opdage Higgs-partiklen, men projektet blev standset i 1993 af økonomiske årsager.

Med LHC blev jagten intensiveret. ATLAS- og CMS-eksperimenterne målte uafhængigt af hinanden et tydeligt overskud af begivenheder omkring 125 GeV i særligt rene henfaldskanaler som H → Z Z* → 4 leptoner, populært kaldet “den gyldne kanal”, eller til to fotoner med høj energi, som vises i figuren.

Higgs-mekanismen forklarer, hvorfor nogle partikler i Standardmodellen har masse, mens andre ikke har. Mekanismen bygger på spontant symmetribrud: Feltet, som gennemtrænger hele universet, vælger én bestemt tilstand som sin grundtilstand. Før symmetribruddet kan felterne kun svinge på én måde. Efter symmetribruddet kan nogle felter også lave en ekstra type svingning, der koster energi. Denne indbyggede energi er det, vi kalder masse.

Mekanismen er central for, at elektroners, kvarkers og W- og Z-partiklers egenskaber passer med det, vi observerer i naturen. Uden den ville atomer og stabile strukturer ikke kunne eksistere.

LHC er i dag det eneste sted, hvor Higgs-partikler kan skabes og studeres i laboratorier. Dette gøres i sammenstød mellem protoner, der består af kvarker bundet sammen af gluoner.

Ved LHC's energier består protonerne mest af gluoner. Da gluonerne er masseløse, interagerer de ikke direkte med Higgs-partiklen, der kun kan interagere med massive partikler. Derfor er den mest gængse måde, Higgs-partiklen produceres på, en smule kompliceret. Gluonerne vekselvirker i stedet i en løkke af virtuelle top-kvarker, som dernæst skaber en Higgs. Top-kvarken er den tungeste partikel i Standardmodellen, og dermed den, der lettest kan skabe Higgs-partikler. Higgs-partiklen har en levetid på blot ca 1,6·10⁻²² s. Dermed henfalder den alt for hurtigt til at kunne studeres direkte, og man må rekonstruere den via dens henfald. Dette har CERN-eksperimenter gjort siden dens opdagelse i 2012, og vi har i dag præcise bestemmelser af både Higgs-partiklens masse, og hvordan den henfalder til Standardmodellens øvrige partikler.

• Peter W. Higgs
• standardmodellen
• den svage kernekraft