For et tiår siden begeistret partikkelfysikere verden. 4. juli 2012 kunngjorde 6000 forskere som jobbet med verdens største atomknuser, Large Hadron Collider (LHC) ved det europeiske partikkelfysikklaboratoriet, CERN, at de hadde oppdaget Higgs-bosonet, en massiv, flyktig partikkelnøkkel til deres abstrakte forklaring på hvordan andre fundamentale partikler får sin masse. Oppdagelsen oppfylte en 45 år gammel spådom, fullførte en teori kalt standardmodellen, og satte fysikere i søkelyset.
Så kom en lang bakrus. Før den 27 kilometer lange ringformede LHC begynte å ta data i 2010, bekymret fysikere seg over at den kunne produsere Higgs og ingenting annet, og etterlot ingen anelse om hva som ligger utenfor standardmodellen. Så langt går det marerittscenarioet i oppfyllelse. “Det er litt skuffende,” sier Barry Barish, en fysiker ved California Institute of Technology. “Jeg trodde vi skulle oppdage supersymmetri,” den ledende utvidelsen av standardmodellen.
Det er for tidlig å fortvile, sier mange fysikere. Etter 3 år med oppgraderinger, starter LHC nå for den tredje av fem planlagte kjøringer, og noen nye partikler kan dukke opp i de milliarder av proton-proton-kollisjoner den vil produsere hvert sekund. Faktisk skulle LHC kjøre i 16 år til, og med ytterligere oppgraderinger skulle den samle inn 16 ganger så mye data som den allerede har. Alle disse dataene kan avsløre subtile tegn på nye partikler og fenomener.
Likevel sier noen forskere at skriften er på veggen for kolliderfysikk. “Hvis de ikke finner noe, er dette feltet dødt,” sier Juan Collar, en fysiker ved University of Chicago som jakter på mørk materie i mindre eksperimenter. John Ellis, en teoretiker ved King’s College London, sier at håp om et plutselig gjennombrudd har gitt plass til utsiktene til en lang, usikker grind mot oppdagelse. “Det kommer til å være som å trekke tenner, ikke som tenner som faller ut.”
Siden 1970-tallet har fysikere vært låst i en brytekamp med standardmodellen. Den hevder at vanlig materie består av lette partikler kalt oppkvarker og nedkvarker – som binder seg i trioer for å lage protoner og nøytroner – sammen med elektroner og fjærvektspartikler kalt elektronnøytrinoer. To sett med tyngre partikler lurer i vakuumet og kan sprenges inn i en flyktig eksistens i partikkelkollisjoner. Alle samhandler ved å utveksle andre partikler: Fotonet formidler den elektromagnetiske kraften, gluonet bærer den sterke kraften som binder kvarker, og de massive W- og Z-bosonene bærer den svake kraften.
Standardmodellen beskriver alt forskerne har sett ved partikkelkollidere så langt. Likevel kan det ikke være den ultimate naturteorien. Den utelater tyngdekraften, og den inkluderer ikke mystisk, usynlig mørk materie, som ser ut til å oppveie vanlig materie i universet seks til én.
LHC skulle bryte den blindveien. I ringen sin krasjer protoner som sirkulerer i motsatte retninger sammen med energier som er nesten syv ganger så høye som ved noen tidligere kolliderer, noe som gjør at LHC kan produsere partikler som er for massive til å lages andre steder. For et tiår siden så mange fysikere for seg å oppdage vidundere raskt, inkludert nye kraftbærende partikler eller til og med mini-svarte hull. “Man ville druknet i supersymmetriske partikler,” minnes Beate Heinemann, direktør for partikkelfysikk ved det tyske laboratoriet DESY. Å finne Higgs ville ta lengre tid, spådde fysikere.
I stedet dukket Higgs opp i løpet av relativt raske 3 år – delvis fordi den er noe mindre massiv enn mange fysikere forventet, omtrent 133 ganger så tung som et proton, noe som gjorde den lettere å produsere. Og 10 år etter den monumentale oppdagelsen har ingen annen ny partikkel dukket opp.
Den mangelen har undergravd to av fysikeres kjære ideer. En forestilling kalt naturlighet antydet at den lave massen til Higgs mer eller mindre garanterte eksistensen av nye partikler innenfor LHCs rekkevidde. I følge kvantemekanikken vil eventuelle partikler som lurer “virtuelt” i vakuumet samhandle med ekte og påvirke egenskapene deres. Det er akkurat slik virtuelle Higgs-bosoner gir andre partikler massen deres.
At fysikken skjærer begge veier, derimot. Higgs-bosonets masse bør trekkes dramatisk oppover av andre standardmodellpartikler i vakuumet – spesielt toppkvarken, en tyngre versjon av oppkvarken som veier 184 ganger så mye som protonet. Det skjer ikke, så teoretikere har ment at minst én annen ny partikkel med lignende masse og akkurat de riktige egenskapene – spesielt et annet spinn – må eksistere i vakuumet for å “naturlig” motvirke effekten av toppkvarken .
Det teoretiske konseptet kjent som supersymmetri ville forsyne slike partikler. For hver kjente standardmodellpartikkel utgjør den en tyngre partner med et annet spinn. Når de lurer i vakuumet, ville disse partnerne ikke bare hindre Higgs-massen fra å stikke av, men de ville også bidra til å forklare hvordan Higgs-feltet, som gjennomsyrer vakuumet som et uslukkelig elektrisk felt, ble til. Supersymmetriske partikler kan til og med stå for mørk materie.
Men i stedet for de håpefulle partiklene, er det som har dukket opp det siste tiåret fristende anomalier – små avvik mellom observasjoner og standardmodellspådommer – som fysikere vil utforske i LHCs neste 3-års løp. For eksempel, i 2017, fant fysikere som jobbet med LHCb, en av fire store partikkeldetektorer matet av LHC, at B-mesoner, partikler som inneholder en tung bunnkvark, forfaller oftere til et elektron og et positron enn til en partikkel som kalles en myon og en antimyon. Standardmodellen sier at de to prisene skal være de samme, og forskjellen kan være et snev av supersymmetriske partnere, sier Ellis.
Tilsvarende antyder eksperimenter andre steder at myonen kan være veldig litt mer magnetisk enn standardmodellen forutsier (Vitenskap, 9. april 2021, s. 113). Denne anomalien kan forklares med eksistensen av eksotiske partikler kalt leptoquarks, som kanskje allerede gjemmer seg uoppdaget i LHCs produksjon, sier Ellis.
Higgs selv gir andre utforskningsmuligheter, ettersom enhver forskjell mellom dens observerte og forutsagte egenskaper vil signalisere ny fysikk. For eksempel, i august 2020, kunngjorde team av fysikere som jobbet med LHCs to største detektorer, ATLAS og CMS, at begge hadde sett Higgs forfall til en myon og en antimuon. Hvis hastigheten på det vanskelig å se forfallet varierer fra spådommer, kan avviket peke på at nye partikler gjemmer seg i vakuumet, sier Marcela Carena, en teoretiker ved Fermi National Accelerator Laboratory.
Disse søkene vil sannsynligvis ikke gi dramatisk “Eureka!” øyeblikk, derimot. “Det er et skifte mot svært presise målinger av subtile effekter,” sier Heinemann. Likevel sier Carena: “Jeg tviler veldig på at om 20 år vil jeg si: ‘Oh, gutt, etter Higgs-oppdagelsen lærte vi ikke noe nytt.'”
Andre er mindre glade for LHC-eksperimentørers sjanser. “De vender mot ørkenen og de vet ikke hvor bred den er,” sier Marvin Marshak, fysiker ved University of Minnesota, Twin Cities, som studerer nøytrinoer ved å bruke andre fasiliteter. Selv optimister sier at hvis LHC ikke finner noe nytt, vil det være vanskeligere å overbevise verdens myndigheter om å bygge den neste større, dyrere kollideren for å holde feltet i gang.
Foreløpig er mange fysikere ved LHC bare glade for å komme tilbake til å knuse protoner. I løpet av de siste 3 årene har forskere oppgradert detektorene og omarbeidet de lavere energiakseleratorene som mater kollideren. LHC skal nå kjøre med en mer konstant kollisjonshastighet, og effektivt øke dataflyten med så mye som 50 %, sier Mike Lamont, direktør for akseleratorer og stråler ved CERN.
Akseleratorfysikere har sakte stilt opp LHCs stråler i flere måneder, sier Lamont. Først når strålene er tilstrekkelig stabile vil de slå på detektorene og fortsette å ta data. Disse bryterne bør snu 5. juli, 10 år og 1 dag etter kunngjøringen av Higgs-funnet, sier Lamont. “Det er godt å gå ut i litt vedvarende løping.”