Higgspartikeln upptäckt äntligen!

Transkript

1 Gunnar Ingelman Jonas Strandberg KOSMOS 2012: 7-24 Svenska fysikersamfundet Higgspartikeln upptäckt äntligen! CERN 4 juli 2012 Redan klockan fem på morgonen den fjärde juli ringlade köerna långa utanför den stora hörsalen vid det europeiska partikelfysiklaboratoriet CERN utanför Genève. Här skulle under förmiddagen de två stora experimenten, ATLAS och CMS, som studerar kollisionerna från de högenergetiska protonstrålarna i Large Hadron Collider (LHC, Fig. 1), presentera sina senaste resultat av sökandet efter Higgsbosonen. Spekulationerna om en upptäckt pågick för fullt runt om i världen på webben, som tidigare uppfunnits på CERN. Peter Higgs, Francois Englert, Gerald Guralnik och Carl Hagen, alla teoretiska fysiker som hade lagt grunderna till teorin om Higgsbosonen redan i mitten av 60- talet, var inbjudna att närvara. Det alla ville veta var hur mycket längre man kommit efter ytterligare sex månaders datainsamling sedan man i slutet av 2011 börjat se de första tecknen av Higgsbosonen. Skulle man nu kunna hävda att Higgsbosonen upptäckts? Efter en kort introduktion från CERNs generaldirektör Rolf Heuer, så började CMS-experimentets ledare Joe Incandela berätta hur fantastiskt mycket data LHC lyckats leverera på bara två år, och hur bra CMS-detektorn fungerar trots de otroligt tuffa kraven som ställs på dess prestanda. Sedan visade han resultaten i de olika analyserna som hade utförts för att söka efter Higgsbosonen, och det var klart att de alla började visa ett entydigt mönster; det data visade kunde egentligen bara förklaras av en Higgsboson med en massa på cirka 125 GeV, det vill säga 133 gånger tyngre än en proton. Spänningen steg påtagligt, allt såg mycket lovande ut men vad såg ATLAS-experimentet? Skulle CMS-resultaten bekräftas eller observerade ATLAS något annat? Fabiola Gianotti, ledare för ATLAS-experimentet, intog scenen och skämtade att det inte var lätt att följa efter en så spännande presentation. Men hon visade sig ha lika omvälvande resultat att komma med. ATLAS kunde uppvisa samma fantastiska prestanda och analyserna av datamängden var entydiga allt pekade på att de var konsistenta med att en Higgsboson med en massa på 125 GeV hade skapats. Rolf Heuer stegade upp på podiet, tog mikrofonen och utbrast I think we have it!. Applåderna som följde ville aldrig ta slut. Nyheten att CERN upptäckt Higgsbosonen toppade genast alla medier världen över. I Sverige pågick Almedalsveckan för fullt, men för några dagar vändes journalisternas blickar ändå mot grundforskningen och nyheten om Higgsbosonen. Få vet-

2 Figur. 1: Strax utanför Genève, med Alperna i bakgrunden, ligger CERN med Large Hadron Collider i den 27 kilometer långa tunneln ca 100 meter under markytan. De två motriktade protonstrålarna accelereras till 4 TeV (7 TeV förväntas 2015) och styrs av 1232 supraledande dipolmagneter (infällda bilden) för att sedan kollidera i de markerade punkterna där olika experiment görs. LHC med detektorerna ATLAS och CMS är det största och mest komplicerade vetenskapliga instrument som mänskligheten byggt. Energitätheten i dessa kollisioner motsvarar den som rådde i Universum en miljondels miljondels sekund efter Big Bang och kan användas (E=mc 2 ) till att skapa de tunga partiklar som existerade då och studera dem i laboratoriet. enskapliga upptäckter har fått ett sådant genomslag. Det finns oräkneliga exempel på positiv uppmärksamhet för grundforskning som följt på Higgsbosonens upptäckt, där vetenskap aldrig tidigare spelat en framträdande roll. Ett talande sådant var att vid årets slut så fanns Fabiola Gianotti med bland kandidaterna till Time magazines utnämning av årets person, det vill säga den person som förändrat världen mest det gångna året. Hon vann visserligen inte, det gjorde president Barack Obama, och andra medtävlare var den tolvåriga pakistanska flickan Malala Yousafzai, som sköts av talibanerna när hon kämpade för flickors rätt att gå i skolan, samt Tim Cook, som övertog Apple efter Steve Jobs, och Egyptens nya president Mohamed Mursi. Att hitta en fysiker i detta världsmästerskap visar vilken betydelse Higgsupptäckten ändå gavs av Time magazine. Naturligtvis var hyllningskören minst lika stark från den vetenskapliga världen. Varför denna uppståndelse? Varför blev denna upptäckt så uppmärksammad? Svaret är att den å ena sidan utgör kulmen på de senaste decenniernas utforsk-

3 ning av materiens innersta byggstenar och krafter. Å andra sidan innebär den även öppnandet av ett nytt kapitel i fysikens historia genom att Higgsbosonen är en ny typ av fundamental partikel med unika egenskaper och djupgående konsekvenser för vår syn på kvantfält och vakuum. Eftersom den förutspåddes teoretiskt redan på 60-talet och sedan 70-talet varit en omistlig del av elementarpartikelfysikens standardmodell, har förväntningarna på en experimentell bekräftelse byggts upp under decennier och skapat stora förväntningar på LHC. Standardmodellen beskriver de fundamentala materiepartiklarna, kvarkar och leptoner, och deras växelverkningar genom de elektromagnetiska, svaga och starka krafterna som ett utbyte av respektive kraftfälts kvanta: foton, W +, W och Z 0 samt gluoner. Kvarkar upptäcktes 1968 vid SLAC och utgör byggstenarna i protoner, neutroner och alla starkt växelverkande så kallade hadroner där gluonerna utgör de sammanbindande klisterpartiklarna. Sex sorters kvarkar har upptäckts: upp-, ner-, sär-, charm-, botten- och toppkvark. Likaså har sex sorters leptoner upptäckts: elektron, myon och tau samt tre sorters neutriner. Fotonen är känd genom fotoelektriska effekten, W och Z upptäcktes 1983 vid CERN och gluonen upptäcktes 1979 vid DESY i Hamburg. Parallellt med, eller delvis före, de experimentella upptäckterna av dessa fundamentala partiklar utvecklades standardmodellen som en rigorös kvantfältteori med partiklar (kvanta) som förmedlare av växelverkan. För de elektromagnetiska och svaga krafterna skapades en gemensam teori för elektrosvag växelverkan som förutsade existensen av W och Z som förmedlare av den svaga kraften, men förutsatte att det finns en Higgspartikel som en del av den mekanism som ger W och Z stora massor (80.4 respektive 91.2 GeV) medan fotonen förblir masslös. För den starka kraften mellan kvarkar utvecklades kvantkromodynamik med åtta gluoner som förmedlarpartiklar. Successivt har allt i detta teorikomplex verifierats experimentellt, förutom att Higgspartikeln ej påvisats. Om den inte finns med sina mycket speciella egenskaper så faller viktiga delar av teoribygget, så därför har den sedan 70-talet sökts i många experiment. Inget av dem lyckades dock hitta någon Higgspartikel, trots att teorin förutsade dess egenskaper så att man visste vilka signaler man skulle leta efter. Vad teorin däremot inte kunde förutsäga var dess massa, så tydligen var den så tung att tidigare acceleratorenergier var otillräckliga för att skapa den. Med den rekordhöga energin i LHC hoppades man äntligen kunna skapa den. Experiment i dagens partikelfysik kräver enorma resurser och tar lång tid att genomföra varför görs dessa ansträngningar för att hitta Higgspartikeln och utforska fysiken kring den? Svaret ligger i den grundläggande betydelse detta har i den fundamentala fysiken. Symmetri ger växelverkan Alla hittills erhållna experimentella data inom partikelfysiken

4 beskrivs väl av standardmodellen (Fig. 2) som är en kvantfältteori, dvs en teori som förenar speciell relativitetsteori med kvantmekanik. Dess materiepartiklar är kvarkar och leptoner, som har spinn ½ och därmed lyder Pauliprincipen. Denna säger att för identiska sådana partiklar, till exempel elektroner, kan det inte finnas fler än en i samma kvantmekaniska tillstånd, vilket leder till att materien får struktur, till exempel genom elektronernas energinivåer i en atom. Kvarkar bildar på liknande sätt protoner, neutroner och andra hadroner med ett spektrum av olika massor. Krafternas fält är kvantiserade så att fältens kvanta utgör förmedlare av de olika växelverkningarna. Dessa kraft- eller utbytespartiklar har alla spinn 1, så de behöver inte följa Pauliprincipen utan det kan finnas hur många identiska sådana partiklar som helst i samma kvantmekaniska tillstånd. Därigenom tvingas de inte upp i högre energinivåer utan kan obegränsat fungera som kraftfält och förmedlare av växelverkningar. För att förklara sådana partiklars massa behövs dock Higgspartikeln och BEHmekanismen, uppkallad efter Brout, Englert och Higgs. För att förstå detta måste man inse betydelsen av symmetrier och vad som menas med begreppet massa och varför det är så viktigt. Massa har genom Newtons andra lag, F=ma, att göra med tröghet (och även med gravitation som dock är försumbart svag i partikelfysiken och inte ingår i standardmodellen). Massa är ett objekts totala energi mätt i dess vilosystem. I relativitetsteori, där objekt beskrivs med en fyrvektor p=(e,p x,p y,p z ) innehållande både dess energi och rörelsemängd, ges dess massa av fyrvektorn i kvadrat, m 2 =p 2 =E 2 p x 2 p y 2 p z2. Här används högenergifysikens konvention att inkludera faktorer c i massa och rörelsemängd, det vill säga mc 2 m och pc p, så att dessa mäts i termer av energi. Storheten p 2 är en invariant som inte kan bero på observatören, vilket följer av rumtidens symmetrier under translationer, rotationer och boostar (ändring av rela- Figur. 2. Standardmodellens fundamentala partiklar. 10

5 tiv hastighet mellan objekt och observatör). På samma sätt är rörelsemängdsmoment invariant och därmed partiklars spinn, som är ett internt rörelsemängdsmoment som även en punktlik kvantpartikel kan ha. De mycket olika massorna hos standardmodellens partiklar saknar dock förklaring. Än värre är att den grundläggande symmetrin som standardmodellen bygger på tycks fordra att kraftpartiklarna är masslösa vilket W och Z bevisligen inte är! Alla de fundamentala växelverkningarna kommer som en följd av gauge-symmetri. Med gauge menas den referens eller likare som används för mätning (t.ex. har meter- och kiloprototyperna i Paris utgjort sådana). Den konvention som vårt val av sådan referens utgör kan dock inte påverka fysiken och därför måste beskrivningen vara oberoende, invariant, av sådana val. Detta kan illustreras med att valet av nollpunkt för det elektrostatiska fältet saknar betydelse ty en global ändring V(x) V(x)+konst ger inte någon observerbar effekt eftersom potentialen inte är direkt observerbar utan enbart det elektriska fältet som ges av E=-dV(x)/dx. Men för en lokal, rumsberoende ändring V(x) V(x)+f(x) ger derivatans verkan på funktionen f(x) en observerbar ändring av det elektriska fältet, som dock kan kompenseras genom att införa en lämpligt utformad vektorpotential så att även lokal gauge-invarians erhålls. Eftersom vektorpotentialen genererar det magnetiska fältet så kräver den lokala invariansen att magnetisk växelverkan införs. Steget från global till lokal gauge-invarians motsvarar även att den elektriska laddningen måste bevaras inte bara globalt i hela systemet utan lokalt i varje punkt i rummet. Maxwell insåg allt detta på 1860-talet och skapade elektromagnetismen som förenar de elektriska och magnetiska krafterna. På liknande sätt, men matematiskt mer komplicerat, är det även med de andra fundamentala krafterna. De svaga och starka krafterna (liksom gravitationen) följer alla med matematisk nödvändighet när liknande lokala, rums-tidsberoende, gaugesymmetrier införs. Kvarkarnas starka kraft genereras av deras färg -laddning som kan anta tre olika värden, röd, grön, blå vilket beskrivs kvantmekaniskt av en kolumnmatris med tre element. Denna laddning bevaras i varje punkt genom lokal gauge-invarians där olika val av referens motsvarar rotationer, beskrivna av 3x3-matriser, mellan olika referenssystem i detta färgrum. Invariansen bevaras genom att införa den starka kraften i form av åtta gluoner som beskrivs med de åtta linjärt oberoende 3x3-matriserna (den nionde är enhetsmatrisen som inte ändrar något och därför inte motsvarar någon växelverkan). Den svaga kraften förmedlad av W + och Z 0 uppstår på liknande sätt som tre linjärt oberoende 2x2-matriser ur lokal gauge-invarians mellan kvarkars och leptoners två olika tillstånd beskrivna av kolumnmatriser med två komponenter (Fig. 2). Dessa resultat är utomordentligt starka och visar vilken viktig roll symmetrier spelar i fysiken. Det finns dock ett stort problem standardmodellens lokala gaugesymmetrier fordrar att dess 11

6 kraftpartiklar är masslösa, men W och Z har stor massa, 80.4 respektive 91.2 GeV! Spontant symmetribrott ger partikelmassor BEH-mekanismen är ett finurligt sätt att lösa detta problem genom att smyga in ett symmetribrott så att partiklar får massa, men gauge-invariansens goda egenskaper ändå bevaras. Teorin för detta lanserades 1964 först i tre publikationer [1]. Man inför ett nytt bakgrundsfält som ursprungligen masslösa partiklar växelverkar med och därigenom blir massiva. Detta fält måste dock ha ovanliga egenskaper. Normalt är energin i ett fält lägst när fältstyrkan är noll, men för Higgsfältet är potentialen lägst då fältstyrkan är skild ifrån noll (Fig. 3). Detta ger en ny innebörd till begreppet vakuum som definieras som det tillstånd som har lägst energi och därmed inte behöver motsvara avsaknad av alla sorters fält utan nu innehåller Higgsfältet. Fältet, betecknat Φ, svarar mot en potential av formen V(Φ)= aφ 2 +bφ 4 (Fig. 3) så att ett minimum uppstår vid Φ= (a b) som är grundtillståndet med lägst energi och utgör det så kallade vakuumförväntansvärdet. I kvantfältteori är fälten komplexa storheter med både realoch imaginärdelar. Higgsfältets potential motsvarar därför en mexikansk hatt (Fig. 3) med minimum längs en cirkel. Ett Higgsfält med fältstyrka noll, det vill säga både real- och imaginärdel noll, utgör ett lokalt instabilt maximum och övergår spontant till ett minimumläge på samma sätt som en kula rullar ner från kullens topp till dalens lägsta punkt. Eftersom alla punkter i denna dal är ekvivalenta är det samma sannolikhet att hamna i vilken som helst av dessa minima, men när ett visst läge intagits så är detta grundtillstånd inte längre symmetriskt. Ett spontant symmetribrott har skett i och med att fältet har valt ett visst grundtillstånd. Higgsfältet införs i standardmodellens elektrosvaga teori (Nobelpris 1979) i form av en kolumnmatris ( ) med Figur 3. Potentialen för ett vanligt fält, till exempel V(Φ)=aΦ 2, har minimum när fältstyrkan är noll, men grundidén med Higgsfältet är en potential av formen V(Φ)= aφ 2 +bφ 4 så att ett minimum uppstår vid Φ= (a b), det vill säga en fältstyrka skild från noll. För ett komplext Higgsfält fås en potential V(ϕ)= aϕ* ϕ+b(ϕ* ϕ) 2 med formen av en mexikansk hatt som ger spontant symmetribrott då grundtillståndet intas i ett av alla ekvivalenta minima. 12

7 Figur. 4. Ett enklare exempel på ett spontant symmetribrott är när en penna som balanserar på sin spets trillar och lägger sig i en viss vinkel. Rörelseekvationerna är symmetriska, men grundtillståndet har spontant bruten symmetri. två element som vardera är komplexa, dvs totalt fyra nya frihetsgrader införs. Tre av dessa kan dock genom Higgsfältets växelverkan med W +, W och Z 0 överföras till dessa, vilket innebär att de blir massiva partiklar som har alla tre frihetsgrader som en partikel med spinn=1 har, det vill säga tredje-komponenten av spinnet kan vara 1,0,+1 och inte bara +1 som de hade som masslösa i teorin utan Higgsfältet. Den återstående frihetsgraden är Higgspartikeln, dvs Higgsfältets kvantum som därmed förutsägs vara en fysikalisk partikel som ska finnas om teorin är korrekt. I bilden med kulan i mexikanska hatten motsvarar frihetsgraden längs cirkeldalen de frihetsgrader som gör W och Z massiva, medan radiella rörelser upp i potentialen runt dess minimum svarar mot Higgsfältets kvantum, dvs den fysikaliska Higgspartikeln som har spinn noll. Med införandet av Higgsfältet i standardmodellen bryts symmetrin spontant för dess grundtillstånd men själva växelverkningarna, som hänger samman med den fundamentala gaugesymmetrin, bevaras och den svaga kraftens förmedlarpartiklar W och Z får massa med de uppmätta värdena. Detta beskrivs på ett matematiskt rigoröst sätt i en konsistent teori som är renormerbar, vilket innebär att inga oändligheter erhålls i beräkningar av observerbara storheter. Genom växelverkan med Higgsfältet får även kvarkar och leptoner massa. Deras exakta massvärden förutsägs inte av teorin, som istället anger att massan är proportionell mot styrkan av växelverkan mellan Higgsbosonen och kvarken eller leptonen i fråga. Denna förutsägelse är långt ifrån trivial och är en av de viktigaste sakerna att belägga experimentellt nu när partikeln är funnen. Standardmodellen definieras teoretiskt av en så kallad Lagrangefunktion (Fig. 5) från vilken alla växelverkningar kan beräknas. Detta är analogt med Lagrangefunktionen i klassisk mekanik där man genom att utföra matematiskt väl definierade variationer, dvs ta derivator av Lagrangefunktionen, erhåller systemets rörelseekvationer. I kvantfältteorin härleds Feynmanreglerna som gör att de tvärsnitt som ger sannolikheten för olika processer kan beräknas baserat på Feynmandiagram som samti- 13

8 Figur. 5. Peter Higgs med sitt ursprungliga, generiska Higgsfält med potential V(ϕ)=αϕ * ϕ+β(ϕ * ϕ) 2. Ur detta utvecklades Standardmodellens Lagrangefunktion som definierar teorin med alla dess partiklar och växelverkningar så att sannolikheter för alla processer kan beräknas. Dess väsentliga delar kan i matematiskt starkt komprimerad form rymmas på en kaffekopp; termer med F eller D innehåller gaugefält (foton, W, Z, gluon), termer med ψ innehåller fermioner (kvarkar, leptoner) och ϕ är Higgsfältet. 14 digt ger åskådliga bilder av processerna (Fig. 6). Standardmodellens alla växelverkningar blir härigenom klart specificerade så att de resulterande processerna blir beräkningsbara med hög precision. Genom jämförelser med data för många olika observabler har härigenom standardmodellen testats till procent-nivå och till och med promille-nivå. Sammantaget fanns alltså starka skäl för införandet av Higgsfältet i teorin, som också fixerar alla egenskaper hos den förutsagda Higgspartikeln utom dess egen massa. Genom precisionsmätningar av processer där Higgspartikeln enligt teorin kan finnas med som en kvantfluktuation internt i processen, även om den inte bildades som en reell partikel i sluttillståndet, kunde jämförelser mellan data och teori ändå ge indikationer på att den nog borde vara lättare än ca 150 GeV och definitivt inte vara tyngre än GeV eftersom då skulle teorin få problem med sannolikhetsbegreppet. Många partikelfysiker var övertygade om att Higgspartikeln verkligen skulle finnas. Detta gällde särskilt teoretiska fysiker, vilket kan illustreras med att teoretikern Frank Wilczek (Nobelpris 2004) slog vad med experimentalfysikern Janet Conrad om att Higgspartikeln skulle upptäckas senast 2012 och ha en massa under 150 GeV. Vadet skedde vid en konferensmiddag på Uppsala slott 2005 och vid en Higgsfest på samma plats i september 2012 fick Wilczek vinsten i form av 10 Nobelmedaljer av choklad. Hur skapa Higgspartikeln? För att skapa en Higgspartikel måste man åstadkomma en kollisionsenergi som är större än dess massa. Eftersom Higgspartikeln ger andra partiklar massa, växelverkar den starkare med tyngre partiklar som alltså kopplar starkare till Higgspartikeln. Härigenom vinner man på att kollidera en tyngre partikel med dess antipartikel, men observera att det här är fråga om de fundamentala partiklarna kvarkar och leptoner. Vid elektron-

9 Figur 6. Illustration av hur en Higgsboson skapas och sönderfaller i en protonkollision vid LHC. De inkommande protonerna (p) består av tre kvarkar (heldragna linjer) samt den starka kraftens klisterpartiklar, gluoner (g). Eftersom Higgsbosonen kopplar starkast till tunga partiklar, är den vanligaste processen att producera en Higgsboson att två inkommande gluoner skapar ett tillfälligt par av en topp-kvark och en anti-toppkvark som sedan genast annihilerar till en Higgsboson. Higgsbosonen är mycket kortlivad och sönderfaller direkt till ett par av partiklar, en partikel och dess anti-partikel. Sannolikheten för processen kan beräknas i standardmodellen genom att varje del i detta s.k. Feynmandiagram har en matematisk motsvarighet; sannolikheterna att finna gluoner med andelar x 1 och x 2 av de två protonernas energier multipliceras med det så kallade tvärsnittet för gg H via toppkvarks-loopen. positronkollideraren LEP med total energi upp till ca 200 GeV sökte man intensivt efter Higgspartikeln, men man visste inte om energin skulle räcka och även om den i princip skulle göra det så kopplar elektronen så svagt till Higgspartikeln att sannolikheten för en direkt annihilation e + e H 0 skulle vara försumbart liten. Den dominerande processen förutsades vara e + e Z * H 0 Z med ett virtuellt mellantillstånd och två tunga partiklar i sluttillståndet vilket reducerar sannolikheten. När inga spår av Higgspartikeln kunde ses vid LEP visste man att dess massa måste vara större än GeV. Hoppet ställdes därefter först till Tevatronen vid Fermilab där motriktade strålar av protoner och antiprotoner med vardera energin 980 GeV kolliderade och sedan till LHC som kolliderar protonstrålar med som mest 4000 GeV vilket ger den totala kollisionsenergin 8000 GeV, det vill säga 8 TeV. Problemet är här att de kolliderande protonernas energi är fördelad på dess beståndsdelar, kvarkar och gluoner, så den effektiva kollisionsenergin för en fundamental process är mindre. Dessutom är kvarkarna i protonen lätta och kopplar därför inte starkt till Higgspartikeln och gluonerna är masslösa och kopplar därmed inte alls till Higgspartikeln annat än indirekt. Bäst vore om topp-kvarken, med sin massa om 174 GeV och därmed stora koppling till Higgspartikeln, kunde komma till användning. 15

10 Detta är möjligt genom att ett topp-antitopp-par kan bildas som en intermediär kvantfluktuation (Fig. 6) så att sannolikheten för att bilda en Higgspartikel vid LHC kan beräknas som produkten av sannolikheter att finna en gluon i vardera protonen gånger sannolikheten för den fundamentala processen gg topp-antitopp H som beräknas med standardmodellen. Naturligtvis måste gluonernas andelar x 1 och x 2 av protonernas energier vara tillräckligt stor för att Higgspartikeln ska kunna bildas. Däremot behöver inte topp och antitopp ha sin fysikaliska massa eftersom de är intermediära tillstånd som kan vara kvantfluktuationer under den tid som Heisenbergs obestämbarhetsrelation tillåter, det vill säga ΔEΔt~h vilket antingen kan uttryckas som att energibevaringen bryts med ΔE under en tid Δt eller att partiklarna under denna tid inte har sin fysikaliska massa utan är virtuella så kallade propagatorer. Detta är inbyggt i Feynmandiagrammens formalism och sänker processens sannolikhet mer och mer ju mer virtuell en sådan partikel är, dvs ju längre ifrån sin fysikaliska massa den är. Beräkningen fordrar dock kännedom om gluonernas energifördelning i protonen, men dessa har mätts i tidigare experiment, framför allt i elektron-proton-kollideraren HERA på DESY-laboratoriet i Hamburg som utforskat protonens struktur med hög upplösning. Med en Higgsmassa på GeV förväntades skapandet av 10 5 Higgspartiklar/år i LHC. Detta låter betryggande men problemet är att totala antalet kollisioner är per år, så det är bara 1 Higgspartikel på 10 miljarder händelser för att hitta den nålen måste många höstackar genomsökas! Hur finna Higgspartikeln? När en proton-protonkollision i LHC väl lyckats skapa en Higgspartikel gäller det att kunna se den också, vilket är en uppgift för detektorerna ATLAS och CMS. Forskare vid KTH och universiteten i Lund, Stockholm och Uppsala är medlemmar i ATLAS-kollaborationen som samlar drygt 3000 forskare från 174 institut och universitet i 38 länder. De svenska partikelfysikerna har deltagit i uppbyggnaden av ATLAS (Fig. 7) genom att delar av olika detektorsystem har utvecklats och byggts i Sverige och sedan installerats i ATLAS. Naturligtvis deltar även de svenska fysikerna i datainsamling och analysen som leder fram till fysikresultaten. Bland alla kollisionshändelser måste man hitta de sällsynta som innehåller en Higgspartikel. En ytterligare svårighet är att Higgspartikeln är mycket kortlivad och inte kan observeras direkt i detektorerna, utan måste rekonstrueras ur dess sönderfallsprodukter av detekterbara partiklar. Liksom Higgspartikeln kan bildas ur ett partikel-antipartikelpar kan den också sönderfalla till olika partikel-antipartikelpar (Fig. 6), återigen med en kopplingsstyrka som ökar med dotterpartiklarnas massa. För att dotterpartiklarna ska vara reella med sin fysikaliska massa kräver energins bevarande att den tillgängliga energin, det 16

11 Figur 7. ATLAS-detektorn är 44 m lång, 22 m i diameter och väger 7000 ton. LHCs protonstrålar kolliderar i centrum av detektorn. Från kollisionspunkten och utåt finns spårdetektorer som bestämmer riktning och rörelsemängd för laddade partiklar, kalorimetrar som stoppar partiklar och därigenom mäter deras energi, myonsystemet som mäter rörelsemängden hos myonerna som, liksom de omätbara neutrinerna, tar sig igenom kalorimetrarna. Svenska partikelfysiker har bidragit till konstruktion och uppbyggnad av olika detektorsystem: Liquid Argon calorimeter (KTH), Tile calorimeter (Stockholm), TRT tracker (Lund), SCT tracker (Uppsala) vill säga m H, ska vara större än summan av dotterpartiklarnas massor. Dotterpartiklarna kan dock vara virtuella med en lägre massa, men måste då i sin tur övergå i andra partiklar inom den tid som ges av Heisenbergs osäkerhetsrelation. Härigenom kan en kedja av sönderfall ske där endast partiklarna i sluttillståndet kan observeras och sedan användas för att rekonstruera kedjan tillbaka till Higgspartikeln. Ur standardmodellen kan alla olika sönderfallskanalers sannolikheter beräknas och sammantaget ge att en Higgspartikel med massa 125 GeV har en livstid på endast s. Kombinationen av beräknad produktion och sönderfall leder fram till vilka sönderfallskanaler som förekommer tillräckligt ofta och kan ge experimentella signaturer som sticker ut bland de miljardtals fler händelserna utan någon Higgspartikel. Särskilt viktiga är sönderfallen H γγ och H ZZ * l + l l + l, där l är en elektron eller myon, som ger de bästa möjligheterna eftersom de är relativt lätta att hitta och ger bra precision för rekonstruktion av Higgsbosonens egenskaper. Detta trots att bägge sönderfallen har låg sannolikhet, det första eftersom fotoner är masslösa så sönderfallet sker genom ett mellansteg av ett virtuellt par av topp-antitopp eller W + W och i det andra är också en partikel i mellantillståndet virtuell. Andra sönderfallskanaler förekommer visserligen oftare, men ger sluttillstånd av partiklar som antingen är mycket svåra att detektera eller är alltför vanligt förekommande i händelser utan Higgspartikeln, det vill säga den så kallade bakgrunden är för stor. Den händelse i ATLAS med fyra myoner, μ + μ μ + μ, som 17

12 Figur. 8. En kollision i ATLAS-detektorn sedd i tre olika vyer, varav den övre vänstra är en närbild på kollisionspunkten med flera samtidiga proton-protonkollisioner. De inkommande protonerna från LHC kolliderar i mitten av detektorn och ut från kollisionspunkten flyger nya partiklar som skapats i kollisionen. Fyra av partiklarna, som identifieras med röda streck i bilden, är myoner som går genom hela ATLAS-detektorn. Ett av de möjliga sönderfallen av en Higgsboson som skapats i kollisionen är till just fyra myoner. Om tillräckligt många händelser av den här typen registreras kan man fastslå att Higgsbosonen finns. visas i Fig. 8 stämmer med det nämnda Higgssönderfallet via ZZ och är därmed en stark kandidat. Man kan dock aldrig vara helt säker på att det verkligen var en Higgsboson som skapats i just denna händelse eftersom detta sluttillstånd av observerbara partiklar även kan skapas genom vanliga, så kallade bakgrundsprocesser som inte involverar någon Higgsboson (till exempel kan två Z-bosoner skapas även på andra sätt). Därför räcker det inte att bara se en sådan händelse som överensstämmer med ett hypotetiskt Higgssönderfall, man måste observera många händelser så att det går att påvisa med statistisk signifikans att det är fler än från bakgrundsprocesserna och stämmer med det extra antal som följer av att Higgspartiklar skapats och sönderfallit. Detta gäller alla sönderfallskanalerna, men som tur är kan både bakgrundsprocesserna och Higgsprocesserna beräknas i standardmodellen med stor precision. Senaste nytt om den nya partikeln och dess egenskaper I juli 2012 var det helt klart att en ny partikel hade upptäckts. Data överensstämde också, inom sina felgränser, med förutsägelser för standardmodellens Higgsboson, men man hade inte tillräcklig experimentell information för att slå fast att det verkligen rörde sig om denna utan man uttryckte det vetenskapligt försiktigt som a Higgs-like boson. Under de månader som gått sedan dess har man samlat och analyserat mer data och resultaten har rapporterats under våren 2013 vid konferenser 18

13 [2], ett webbsänt seminarium [3] på CERN samt ett Nobelsymposium om LHC-resultat på Krusenberg utanför Uppsala. Upptäcktens signifikans har ökat väsentligt så att till exempel ATLAS-resultatet i Fig. 9 är 10σ motsvarande en sannolikhet att vara en bakgrundsfluktuation på endast 10-23! Sönderfallet H γγ har observerats (Fig. 10) genom att för alla observerade par av fotoner mäta deras invarianta massa, det vill säga parets totala energi mätt i deras vilosystem. På en kontinuerlig bakgrund av okorrelerade par framstår de som kommer från Higgsbosonsönderfall som en topp vid Higgspartikelns massa. Sönderfallet H ZZ * l + l l + l har på liknande sätt observerats genom invarianta massan av de fyra leptonerna (Fig. 10). Efter att ha vägt samman all informationen om Higgsbosonens massa, ifrån figurer som dessa, erhåller ATLAS m H =125,5±0,2(stat) (syst) GeV och CMS m H =125,7±0,3 (stat)±0,3 (syst) GeV. De nya resultaten stärker bilden av att detta verkligen är standardmodellens Higgsboson, men för att verkligen kunna hävda detta måste den nya partikelns egenskaper fastställas till att vara precis de förutsagda. Partikeln måste ha spinn=0 och växelverka med andra partiklar med en kopplingsstyrka som ) beror av deras massa så att den för spinn-1 bosonerna W och Z är proportionell mot deras massa i kvadrat och för spinn- 1/2 fermionerna kvarkar och leptoner är proportionell mot deras massa. Observationerna av de olika sönderfallskanalerna H γγ, H ZZ, H WW, H bb, H ττ stämmer med standardmodellens förutsägelser utan några statistiskt signifikanta avvikelser (Fig. 11). Likaså stämmer produktionen med standardmodellen vilket också testar kopplingarna genom olika produktionskanaler, t.ex. den dominerande gluon-gluon- Figur. 9. Den heldragna kurvan visar sannolikheten att det man observerar i data kan förklaras med bara bakgrundsprocesser, d.v.s utan en Higgsboson med massa m H. Den når sitt minimum för en Higgsmassa vid 125 GeV där sannolikheten att Higgsbosonen inte finns är 10-23, motsvarande en fluktuation på 10 standardavvikelser. Man kan därför helt säkert säga att Higgsbosonen existerar. 19

14 Figur. 10. För observation av Higgsbosonen är dess sönderfall till två fotoner eller fyra laddade leptoner viktigast, det vill säga H γγ och H ZZ * l + l l + l. För kollisionshändelser i ATLAS med ett par av högenergetiska fotoner mäts parets invarianta massa resulterande i fördelningen till vänster. Den kontinuerliga bakgrunden uppstår från alla okorrelerade fotonpar men toppen innebär extra många par som har samma invarianta massa om ca 126 GeV, vilket signalerar att de kommer från ett sönderfall av en partikel med den massan. Den nedre panelen i figuren visar data när bakgrunden subtraherats från mätpunkterna så att toppen framträder tydligare. Den högra figuren visar CMS-data för den invarianta massan för fyra leptoner. Återigen finns en tydlig topp vid en massa runt 126 GeV ovanpå bakgrunden som representeras av det fyllda histogrammet. Invarianta massan fås genom komponentvis addition av partiklarnas fyrvektorer, varefter den resulterande fyrvektorn kvadreras som beskrivs i avsnittet Symmetri ger växelverkan. 20 fusionsprocessen gg H via ett virtuellt topp-antitoppkvarkpar. Sammantaget visar detta att styrkan i den nya partikelns växelverkningar beroende på olika partiklars massa överensstämmer utan signifikanta avvikelser från standardmodellens förutsägelser för Higgsbosonen (Fig. 12). Att den nya partikeln är en boson med heltaligt spinn ges direkt av de observerade sönderfallskanalerna när man beaktar bevarande av det totala rörelsemängdsmomentet. Spinn 1 är uteslutet för en partikel som sönderfaller till två fotoner (enligt Landau-Yang-teoremet). De hypoteser som ska testas är därför spinn 0 och 2. Detta görs genom att studera vinkelfördelningar för den nya partikelns sönderfallsprodukter. För en partikel som saknar spinn ( internt kvantmekaniskt rörelsemängdsmoment) finns i dess vilosystem ingen information om någon särskild riktning och därför blir fördelningen av sönderfallsprodukterna isotrop i rummet. För en partikel med spinn kan detta ha olika riktningar vilket kan leda till särskilda vinkelfördelningar hos sönderfallsprodukterna. Man måste här inkludera produktionsmekanismerna för den nya partikeln i analysen, eftersom dessa bestämmer hur frekvent olika spinntillstånd förekommer. Till skillnad från standardmodellens spinn-0 Higgsboson, finns det ingen etablerad teori för hur produktionsmekanismerna ska se ut för en exotisk Higgs-liknande partikel med spinn=2. De experimentella resultaten visar god överensstämmelse med standardmodellens spinn-0, medan testade hypoteser om spinn=2 utesluts med 99% konfidensnivå.

15 Slutsatsen baserad på analysen av den totala datamängden är att det verkligen är en Higgsboson som nu har upptäckts nästan 50 år efter att den först förutsades teoretiskt. Higgsbosonen slut på ett kapitel eller början på ett nytt? Upptäckten av Higgsbosonen har fullbordat standardmodellen med BEH-mekanismen för att ge dess partiklar massa. Men Higgsbosonen är också den första fundamentala partikel utan spinn som observerats, vilket är anmärkningsvärt. Det kvantmekaniska Higgsfältet har redan påverkat vår uppfattning och förståelse av begreppet vakuum, vilket kan få långtgående konsekvenser. Även om inga statistiskt signifikanta avvikelser från standardmodellens förutsägelser har observerats, betyder inte detta att ny fysik bortom standardmodellen kan uteslutas. Den observerade Higgsbosonen kan vara influerad av ny fysik. Supersymmetri är en tilltalande teori som kan lösa problem i standardmodellen då den extrapoleras till högre energier än vad som nu kan nås och ger möjligheter till svar på gåtor som standardmodellen lämnar olösta. Den förutsäger fem Higgsbosoner varav två har elektrisk laddning och tre är neutrala. En av de senare kan vara mycket lik standardmodellens Higgsboson men fortfarande ha inslag av ny fysik, till exempel genom att vara en kvantmekanisk linjärkombination med smärre bidrag från supersymmetrins nya Higgsfält. Den supersymmetriska teorin förutsäger även att det ska finnas många andra nya partiklar, faktiskt en ny supersymmetrisk part- Figur 11. Sammanfattning av ATLAS- och CMS-resultaten för de olika Higgssönderfallen uttryckt i signalstyrkan eller sannolikheten jämfört med standardmodellens förutsägelser. Värdet 1 innebär alltså överensstämmelse med standardmodellen och 0 att man inte ser någon Higgsboson i den sönderfallskanalen. De mätta värdena anges med en standardavvikelses osäkerhet, vilket visar att alla resultat är kompatibla med det förväntade värdet från standardmodellen inom en eller två standardavvikelser. 21

16 Figur 12. Higgsbosonens kopplingsstyrka till olika partiklar beroende på deras massor. CMS har använt resultaten i Fig. 11 under antagandet att Higgsbosonen inte sönderfaller till andra partiklar än de som redan finns i standardmodellen. I standardmodellen ökar kopplingsstyrkan linjärt med massan för fermioner (kvarkar och leptoner) men kvadratiskt med massan för W och Z bosonerna. Genom att i figuren ta roten ur de senares mätta kopplingsstyrkor faller datapunkterna (med 1σ och 2σ felgränser) på en rät linje, vilket verifierar standardmodellen. Det ska dock påpekas att osäkerheterna i analyserna av H bb och H ττ fortfarande är stora, så att mer data kommer att behövas för att precisera om dessa kopplingar överensstämmer exakt med det standardmodellen förutsäger. ner för varje partikel i standardmodellen, så om den teorin är den rätta finns mycket kvar att upptäcka. Även andra teorier bortom standardmodellen har formulerats och deras observerbara konsekvenser undersöks nu experimentellt. Den rätta vägen framåt kan endast utstakas av mer experimentella resultat. Därför har nu LHC stängts för uppgradering av kollisionsenergin från hittills maximalt 8 TeV till 14 TeV samt en ökning av protonstrålarnas intensitet. Vid återstarten 2015 kommer därmed mycket större datamängder att samlas in och mer precisa mätningar göras av den nu upptäckta Higgsbosonen och kanske kan även andra nya fundamentala partiklar upptäckas. Är detta forskningsäventyr värt pengarna? Man kan med rätta fråga vad nyttan är med denna forskning och om den är värd de resurser samhället satsar. CERNs årliga budget är ca 1,1 miljarder Schweiziska franc, varav Sverige betalar 29 miljoner franc. Detta motsvarar cirka 24 kronor per person och år motsvarande priset på en kopp kaffe eller en glass! Enligt CERNs statuter ska alla dess upptäckter publiceras öppet i enlighet med den vetenskapliga metoden. Härigenom 22

17 kommer även de tekniska innovationer som följer av det vetenskapliga programmet att bli allmänt tillgängliga och inte patenteras. En sådan innovation var World Wide Web som uppfanns på CERN och nu är fritt tillgängligt för alla att använda och vidareutveckla. Hur mycket långsammare skulle webben ha utvecklats om den uppfunnits och patentskyddats av företag? Och vilka licensavgifter skulle vi användare behöva betala? Förmodligen mer än 24 kronor per år. Detta enskilda exempel visar att även i strikt ekonomiska termer är CERN en toppeninvestering. Många fler exempel på samhällsnyttiga innovationer kan ges, men inte lika kända och lättförståeliga eftersom de bygger på avancerad teknologi för till exempel detektorer och sensorer, supraledande magneter, och hård- och mjukvara i datorer. Partikelfysikens primära existensberättigande är de grundläggande vetenskapliga framstegen. Att vilja förstå världen är en djupt rotad mänsklig egenskap. För att utvidga kunskapsgränserna i partikelfysik krävs idag globala samarbeten där forskargrupper från många länder bidrar baserat på egna forskningsanslag erhållna i konkurrens i sina hemländer. Detta leder till en kollegial organisation utan hierarkisk chefsstruktur, där istället den gemensamma strävan att nå målen gör att resultatet blir mer än summan av de enskilda delarna. Forskningen vid CERN, och stora upptäckter såsom Higgsbosonen, inspirerar också nästa generation att söka sig till högre utbildningar. Kommer vi att få någon nytta av själva Higgsbosonen? Det är svårt att säga även om vi i nuläget inte ser några praktiska applikationer för denna nya kunskap om hur Universum fungerar. Men liknande situationer har vi haft förr, som när den brittiske finansministern Gladstone år 1850 frågade fysikern Faraday om nyttan med dennes forskning om elektricitet och fick till svar One day sir, you may tax it. Även om upptäckten av elektronen liksom de märkliga speciella och allmänna relativitetsteorierna och kvantmekaniken först ansågs onyttiga, vet vi idag att de är förutsättningar för mycket i det moderna samhället, såsom till exempel elektronik, nanoteknologi och moderna material samt GPS-system. Om det är något vi kan lära av historien så är det att grundforskningen förr eller senare leder till framsteg i samhället och att stora forskningsgenombrott kan omdana samhället i grunden. Redan nu har upptäckten av Higgsbosonen inneburit ett stort steg för mänsklighetens förståelse av fundamentala partiklar och krafter i Universum. Referenser: [1] Francois Englert, Robert Brout, Broken symmetry and the mass of gauge vector mesons, Physical Review Letters 13 (1964) p. 321 Peter Higgs, Broken symmetries, massless particles and gauge fields, Physical Letters 12 (1964) p. 132, Broken symmetries and the masses of gauge bosons, Physical 23

18 Review Letters 13 (1964) p. 508 [2] För ATLAS se För CMS se [3] CERN : Gunnar Ingelman är professor vid Institutionen för Fysik och Astronomi, Uppsala Universitet, och forskar inom teoretisk partikelfysik med anknytning till experiment vid högenergiacceleratorer. Jonas Strandberg är experimentell partikelfysiker vid KTH och har varit delaktig i sökandet efter Higgsbosonen i ATLAS. Efter upptäckten har fokuset skiftat till att mäta den nya partikelns egenskaper. 24