Svör á næsta ári?

Í dag tilkynntu eðlisfræðingar sem starfa við Atlas og CMS tilraunirnar í Large Hadron Collider að fundist hefðu vísbendingar um Higgs bóseindina. Vísbendingarnar eru ekki nógu traustar til þess að hægt sé að slá því á föstu að þessi hundelta eind hafi fundist en nógu miklar til þess að eðlisfræðingar telja sig á réttri leið og sjái ástæðu til að lýsa sig spennta.

En hvers vegna er allt kapp lagt á að finna þessa Higgs bóseind?

Staðallíkanið svonefnda er helsta kenning eðlisfræðinga. Hún útskýrir efnisheiminn, úr hverju hann er og hvað heldur honum saman með aðeins 6 kvörkum, 6 létteindum (lepton á ensku, rafeind er létteind) og krafteindum eins og t.d. ljóseind.

Allt venjulegt efni er úr kvörkum og létteindum sem getur víxlverkað við annað efni. Hins vegar eru aðeins 4% alheimsins úr þessu venjulega efni. Restin er annars vegar hulduefni (22%) og hins vegar hulduorka (74%), hvorttveggja eitthvað sem við höfum ekki hugmynd um hvað er. En það er allt önnur saga.

Staðallíkanið er góð kenning. Síendurteknar tilraunir hafa staðfest spár hennar ótrúlega nákvæmlega og allar eindir sem kenningin hefur spáð fyrir um hafa fundist.

En hún útskýrir ekki allt, til dæmis ekki þyngdarkraftinn, enn sem komið er.

Í náttúrunni eru fjórir kraftar sem halda öllu efni saman: Þyngdarkrafturinn, rafsegulkrafturinn, sterki kjarnakrafturinn og veiki kjarnakrafturinn.

Þyngdarkraftinn þekkja allir. Undir fótum þér er heil reikistjarna sem togar í þig. Rafsegulkrafturinn er margfalt sterkari og kemur í veg fyrir að þú sökkvir inn að miðju jarðar. Í staðallíkaninu er ljóseindin eind rafsegulkraftsins en hún er massalaus. 

Sterki kjarnakrafturinn heldur atómum saman og öll þekkjum við orkuna sem losnar úr læðingi þegar þeim krafti er sundrað. Hann er 100 sinnum sterkari en rafsegulkrafturinn og miklu miklu sterkari en þyngdarkrafturinn. Í staðallíkaninu útskýra límeindir (gluons) sterka kjarnakraftinn.

Veiki kjarnakrafturinn veldur hrörnun geislavirkra efna og — það mikilvægasta — án hans skini sólin ekki. Í staðallíkaninu eru skýrist veiki kjarnakrafturinn af vigureindum eða vigurbóseindum.

En í staðallíkaninu er stórt og óþægilegt gat: Staðallíkanið útskýrir ekki hvers vegna eindir hafa tiltekinn massa. Til dæmis eru bæði ljóseind og W eind krafteindir en aðeins W eindin hefur massa. Hvers vegna?

Eðisfræðingar hafa því sett fram tilgátu um svonefnt Higgssvið sem, samkvæmt tilgátunni, víxlverkar við aðrar agnir og gefur þeim massa. Higgssviðið krefst eindar, Higgs bóseindar, sem aldrei hefur sést en vísindamenn leita logandi ljósi að. Higgs bóseindin er því „týndi hlekkurinn“ — síðasta púslið sem vantar til þess að kenningin sé heilsteypt.

Og þar koma stórir öreindahraðlar eins og Large Hadron Collider til sögunnar. Eðlisfræðingar geta reiknað út massabilið sem Higgs bóseindin ætti að vera á, miðað við staðallíkanið og leitað að ummerkjum um hana eftir gríðarlega orkuríka árekstra róteinda í öreindahraðlinum

Á fundi í CERN í dag lýstu umsjónarmenn Atlas og CMS tilraunanna að fundist hefðu toppar í gögnum beggja með nokkurn veginn sama massa: 124-125 gígarafeindavolt. Rafeindavolt er orkueining í eðlisfræði sem notuð er til að mæla orku rafsegulgeislunar eða ljóss. En hún er líka notuð sem massaeining og jafngildir þá 1,785x10-36 kg. Sem sagt, massi Higgs bóseindarinnar er að líkindum í kringum 124 gígarafeindavolt sem er fyllilega í samræmi við staðallíkanið.

Þessi merki í gögnunum gætu átt sér aðrar orsakir en frekari mælingar sem gerðar verða næsta árið munu skera úr um það. Óvissan er enn nokkuð mikil svo ekki er hægt að segja af eða á um hvort einn af hinum heilögu kaleikum eðlisfræðinnar sé loks fundinn.

Við bíðum bara spennt!

- Sævar Helgi 

Ummerki um Higgs-bóseindina

Athugasemdir

[Rúnar (IP-tala skráð) 14.12.2011 kl. 17:08]

Takk fyir góða og skiljanlega útskýringu, en ég hef eina athugasemd (sem er líkast til aukaatriði).

Þú gefur þér að grunnkraftarnir séu nákvæmlega fjórir. En ég hef alltaf haldið að grunnkraftarnir væru að minnsta kosti 4.

Sjáðu til. Við getum öll séð og upplifað þessa fjóra grunnkrafta því þeir víxverkast við það efni sem myndar okkur. Við finnum til dæmis fyrir þessum kröftum þegar við löbbum á vegg því kraftarnir hindra að við löbbum í gegnum hann eða verðum að veggnum eða annað eins

Hins vegar er til efni sem víxlverkast ekki við suma þessara krafta, verður aldrei fyrir áhrifum frá þeim, þ.e. hulduefni. Ef að vera sem er mynduð úr hulduefni er beðinn um að lýsa grunnkröftunum, myndi hún lýsa þremur en ekki fjórum. Hún myndi ekki lýsa rafsegulkraftinum því hún hefði engar upplýsingar um hann. Hún víxlverkast ekki við hann og getur ekki með nokkru móti fundið hann út úr sínum reynsluheimi. En gefum okkur að þessi vera lýsi 5 grunnkröftum, þyngdarkraftinum, veika- og sterka kjarnakraftinum og tveimur kröftum til sem víxlverkast við efnið sem myndar hana en efnið sem myndar okkur. Við værum því jafn grunlaus um þessa 2 auka krafta og veran sem lýsti bara 3 var um rafsegulkraftinn. Við getum ekki með nokkru móti fundið fyrir þessum kröftum né komist að þeim út frá okkar reynslu heimi. Þar af leiðandi getum við ekki ályktað að frumkraftarnir séu =4, heldur einungis að þeir séu ≥4.

Er þetta rétt ályktað hjá mér?

[Stjörnufræðivefurinn (www.stjornufraedi.is), 15.12.2011 kl. 21:09]

Sæll

Nú játa ég bara fáfræði mína. Hef ekki kynnt mér hugmyndir um fleiri krafta en kannski er það ekkert svo ósennilegt. Að minnsta kosti er áhugavert að velta því fyrir sér og um að gera að kanna slíkar hugmyndir frekar.

Ég veit þó að til eru tilgátur um að hulduefnið sé úr eind sem við eigum aðeins eftir að finna en hefur þessa skrítnu eiginleika. Að minnsta kosti eru menn að leita og kannski hjálpar LHC okkur að komast nær svarinu.

Þetta er engan vegin fullnægjandi svar við athugasemdinni en mér finnst hún mjög skemmtileg.