Massens oprindelse og naturens naturlighed

Af Mads Toudal Frandsen

Partikelfysikken udvikler bl.a. modeller til at besvare de helt grundlæggende spørgsmål til vores eksistens. Og eksperimenter er nu blevet i stand til at teste modellerne. Det er en hverdagsoplevelse, at stof vejer noget. Badevægten viser for meget (og nogle gange for lidt), men den vidner trofast om, at det stof, vi er gjort af, vejer noget. Det har masse.

Længe før badevægten vidner vores mælkevej om, at stof vejer noget. Den og alle andre galakser er blevet til ved, at diffuse skyer af gas er trukket tættere og tættere sammen af tyngdekraften i løbet af universets udvikling.

Under lup forekommer universet med dets hobe af galakser af stjerner og planeter med planter at være et simpelt system. Mestendels består det af hydrogen, dvs. elektroner og protoner, som har vist sig at bestå af quarker. Det er det. Altså: Tager man to quarker og noget lim (gluonerne) og limer dem sammen til det, vi kalder protoner (og neutroner) og så binder elektroner i baner rundt om med Ørsteds elektromagnetisme (fotoner) og lader der gå noget tid, hvor tyngdekraften får lov at virke, så… universet! I hvert fald den del, der er synlig i vores teleskoper.

Det er dog ikke blot på badevægten, men også på elementarpartikelniveau, at massen volder kvaler.

Massen, der volder kvaler

For det første udgøres det meste stof i universet, ca. 80 %, af mørkt stof, der ikke udsender lys. Det kan ikke observeres direkte i teleskoper, men indirekte, når det ’trækker’ i synligt stof vha. tyngdekraften. Fra de samme observationer konstaterer vi, at mørkt stof med stor sandsynlighed ikke består af de velkendte elementarpartikler. Opskriften ovenfor med quarker, gluoner og elektroner giver altså kun den lysende del af universet, vi har observeret med teleskoper. Der er en anderledes dunkel underverden af nye elementarpartikler, vi skal afdække.

For det andet kræver vores matematiske beskrivelse af naturen, dvs. Gauge kvantefeltteori, at elementarpartiklerne er masseløse. En elementarpartikel er defineret ved et antal ladninger, eller kvantetal, der afgør, hvordan den vekselvirker med andre partikler via naturkræfterne.

Elektrisk ladning er én slags ladning, der afgør, hvordan partiklerne mærker den elektromagnetiske kraft. Elektronen har elektrisk ladning -1, neutrinoen har ladning 0 og positronen +1 med passende enheder. Så en elektron og en positron tiltrækkes af den elektromagnetiske kraft, mens to elektroner frastødes.

Masse er den ’ladning’, der afgør, hvordan partiklerne oplever tyngdekraften. I modsætning til elektrisk ladning er massen af de partikler, der har masse (fotonen er masseløs), opstået i løbet af universets udvikling.

Som når vand fryser til is

Det er Higgs Mekanismen, der gjorde (nogle af) partiklerne massive. Efterhånden som universet blev koldere og koldere, indtraf Higgs Mekanismen, der minder om en faseovergang i universet – analogt til faseovergange kendt fra hverdagen, som når vand fryser til is. Inden da var alle elementarpartikler masseløse, men efter Higgs Mekanismen indtraf, ca. en milliardtedel af et sekund efter Big Bang, blev (nogle af) partiklerne massive.

Higgs Mekanismen blev foreslået allerede i begyndelsen af 60’erne af bl.a. Peter Higgs, men det er først nu, at fysikken bag Higgs Mekanismen kan testes eksperimentelt ved Large Hadron Collider (LHC) på CERN. LHC genskaber i en vis forstand de betingelser, der herskede. da Higgs Mekanismen indtraf i det tidlige univers. Mekanismen og den underliggende fysik kan på den måde studeres direkte i laboratoriet.

Den 4. juli 2012 kunne LHC annoncere, at en ny partikel var fundet. Higgs Mekanismen kræver nemlig ny bagvedliggende fysik udover de – før juli 2012 - kendte naturkræfter og elementarpartikler. Spørgsmålet er: Hvilken ny fysik. Dvs. hvad er massens oprindelse?

Den simpleste model for Higgs Mekanismen kræver blot én ny partikel: Higgs partiklen. Den model foreslog Peter Higgs selv. Den nye partikel, man opdagede i 2012 ved LHC, og som senere er blevet studeret nøjere, stemmer overens med den partikel, Peter Higgs foreslog – men kun inden for de stadig betragtelige måleusikkerheder. Det er altså endnu ikke eksperimentelt etableret, at den opdagede (Higgs) partikel er Peter Higgs’ partikel!

Den unaturlige partikel

En teoretisk grund til at være skeptisk overfor Higgs partiklen, men ikke Higgs Mekanismen, er, at det er en meget speciel partikel. Den er unaturlig! I partikelfysikken kan (u)naturlighed defineres præcist.

En måde at anskueliggøre det på er et tankeeksperiment: I en varm gas farer gasmolekyler rundt mellem hinanden med høj hastighed og støder hele tiden ind i hinanden. Hvis vi nu lægger ét andet molekyle i fuldstændig hvile ned i gassen, vil der lynhurtigt være gasmolekyler, der kolliderer med det nye molekyle og banker det op til samme hastighed som alle de andre molekyler i gassen.

Det vil være ekstremt usandsynligt at finde molekylet i hvile efter bare ganske kort tid. På elementarpartikelniveau er der hele tiden kvantefluktuationer. Hvis en partikel får masse via Higgs Mekanismen, vil kvantefluktuationerne forsøge at skubbe massen op til den højest mulige masse, systemet kan tillade - på samme måde som gasmolekylerne i eksemplet ovenfor skubbede molekylet i hvile op til den samme hastighed som alle andre – den højeste hastighed i systemet.

Problemet er, at den højest mulige masse i systemet af elementarpartikler ligger langt over de masser, vi rent faktisk har målt for elementarpartiklerne, inkl. den nye Higgs (-lignende) partikel. De observerede masser er umiddelbart meget usandsynlige eller unaturlige. Den naturlige løsning er, at en dybereliggende struktur forklarer problemet.

Flere nye partikler

I partikelfysikken har sådanne strukturer eller symmetrier gang på gang vist sig ved nærmere eftersyn (på endnu mindre længdeskalaer), når naturen fremstod unaturlig. På elementarpartikelniveau, kan visse symmetrier skærme partiklernes masse fra kvantefluktuationerne, og for alle de kendte partikler har man opdaget sådanne symmetrier i teorien.

Peter Higgs’ partikel vil være den første elementarpartikel - hvis det altså er den, der er blevet opdaget ved LHC –, der ikke er skærmet af en sådan symmetri. Dermed vil (vores model af) naturen være unaturlig. Med mindre det viser sig, at partiklen ved LHC faktisk er en del af en dybere struktur. Det er den struktur, vi søger at afdække.

Når vi konstruerer elementarpartikelmodeller med strukturer, der kan forklare Higgs Mekanismen naturligt, så forudsiger modellerne flere nye partikler. Nogle af de partikler har vist sig at have de rette egenskaber til at udgøre mørkt stof.

Det er derfor vores håb, at vi med den samme model kan forklare, hvordan elementarpartiklernes masse opstod, og hvad hovedbestanddelen af massen i universet, det mørke stof, faktisk består af. Sådan en model vil så - endnu engang - afsløre naturen som naturlig. Alternativt vil eksistensen af Peter Higgs partikel være en stærk indikation af, at naturen er unaturlig.