Det var for lidt over to år siden, at Large Hadron Collider startede sin søgning efter Higgs-boson. Men jakten på Higgs begyndte virkelig årtier siden med realiseringen af et puslespil, der skulle løses, en der involverede mere end bare Higgs.
En spændende asymmetri
Opgaven startede med symmetri, den æstetisk tiltalende opfattelse af, at noget kan vendes og stadig ser det samme. Det er et spørgsmål om dagligdags oplevelse, at naturkræfterne fungerer på samme måde, hvis venstre byttes med højre; forskere fandt, at dette også var sandt, på det subatomære niveau, for at bytte plus-ladning for minus-ladning og endda for at vende strømmen af tid. Dette princip syntes også at være understøttet af opførelsen af mindst tre af de fire store kræfter, der styrer samspillet mellem stof og energi.
Med opdagelsen af, hvad der med sandsynlighed er den massegivende Higgs boson, er familien af grundlæggende partikler, der styrer opførsel af stof og energi, nu færdig. Billedkredit: SLAC Infomedia Services.
I 1956 offentliggjorde Tsung-Dao Lee fra Columbia University og Chen-Ning Yang fra Brookhaven National Laboratory et papir, der spurgte, om en bestemt form for symmetri, kendt som paritet eller spejlsymmetri, holdt for den fjerde styrke, den der styrer de svage interaktioner, forårsage atomnedbrydning. Og de foreslog en måde at finde ud af.
Eksperimentelisten Chien-Shiung Wu, en kollega fra Lee's i Columbia, tog udfordringen op. Hun brugte forfaldet af Cobalt-60 for at vise, at de svage interaktioner faktisk skelner mellem partikler, der spinder til venstre og til højre.
Denne viden kombineret med endnu et manglende stykke ville føre til at teoretikere foreslår en ny partikel: Higgs.
Hvor kommer massen fra?
I 1957 kom en anden ledetråd fra et tilsyneladende ikke beslægtet felt. John Bardeen, Leon Cooper og Robert Schrieffer foreslog en teori, der forklarede superledningsevne, der tillader visse materialer at lede elektricitet uden modstand. Men deres BCS-teori, opkaldt efter de tre opfindere, indeholdt også noget værdifuldt for partikelfysikere, et koncept kaldet spontan symmetribrud. Superledere indeholder par elektroner, der gennemsyrer metallet og faktisk giver masse til fotoner, der rejser gennem materialet. Teoretikere foreslog, at dette fænomen kunne bruges som en model til at forklare, hvordan elementære partikler erhverver masse.
I 1964 udgav tre sæt teoretikere tre separate artikler i Physical Review Letters, et prestigefyldt fysisk tidsskrift. Forskerne var Peter Higgs; Robert Brout og Francois Englert; og Carl Hagen, Gerald Guralnik og Tom Kibble. Sammen viste papirerne, at spontan symmetribrud faktisk kunne give partikler masse uden at krænke særlig relativitet.
I 1967 satte Steven Weinberg og Abdus Salam brikkerne sammen. Arbejde ud fra et tidligere forslag fra Sheldon Glashow, de udviklede uafhængigt en teori om de svage interaktioner, kendt som GWS-teori, der inkorporerede spejlasymmetrien og gav masser til alle partikler gennem et felt, der gennemsyrede hele rummet. Dette var Higgs-feltet. Teorien var kompleks og ikke taget alvorligt i flere år. Imidlertid løste Gerard `t Hooft og Martinus Veltman i 1971 teoriens matematiske problemer, og pludselig blev det den førende forklaring på de svage interaktioner.
Nu var det tid for eksperimenterne til at komme på arbejde. Deres mission: at finde en partikel, Higgs boson, der kun kunne eksistere, hvis dette Higgs-felt faktisk spænder over universet, hvilket giver partikler masse.
Jakten begynder
Konkrete beskrivelser af Higgs og ideer om, hvor man skal lede efter det, begyndte at dukke op i 1976. F.eks. Foreslog SLAC-fysiker James Bjorken at lede efter Higgs i henfaldsprodukterne i Z boson, som var blevet teoretiseret, men ikke ville blive opdaget før 1983.
Einsteins bedst kendte ligning, E = mc2, har store konsekvenser for partikelfysik. Det betyder dybest set, at masse svarer til energi, men hvad det virkelig betyder for partikelfysikere er, at jo større massen af en partikel er, jo mere energi kræves det for at skabe den, og jo større er den maskine, der er nødvendig for at finde den.
I 80'erne var det kun de fire tyngste partikler, der var tilbage: Den øverste kvark og W-, Z- og Higgs-bosonerne. Higgs var ikke den mest massive af de fire - den ære går til den øverste kvark - men den var den mest undvigende og ville tage de mest energiske kollisioner for at ilder ud. Partikelkolliderere ville ikke være op til jobbet i lang tid. Men de begyndte at snige sig på deres stenbrud med eksperimenter, der begyndte at udelukke forskellige mulige masser for Higgs og indsnævre riket, hvor det måtte eksistere.
I 1987 foretog Cornell Electron Storage Ring de første direkte søgninger efter Higgs boson, med undtagelse af muligheden for, at den havde en meget lav masse. I 1989 udførte eksperimenter ved SLAC og CERN præcisionsmålinger af Z bosons egenskaber. Disse eksperimenter styrkede GWS-teorien om svage interaktioner og satte flere grænser for det mulige rækkevidde af masser for Higgs.
Derefter i 1995 fandt fysikere ved Fermilabs Tevatron den mest massive kvark, toppen, hvilket kun overlod Higgs til at fuldføre billedet af standardmodellen.
Lukker ind
I løbet af 2000'erne blev partikelfysik domineret af en søgning efter Higgs ved hjælp af alle tilgængelige midler, men uden en kollider, der kunne nå de nødvendige energier, forblev alle glimt af Higgs netop det - glimt. I 2000 søgte fysikere ved CERNs Large Electron-Positron Collider (LEP) uden succes for Higgs op til en masse på 114 GeV. Derefter blev LEP lukket ned for at gøre plads til Large Hadron Collider, der styrer protoner til front-on-kollisioner ved meget højere energier end nogensinde opnået før.
I løbet af 2000'erne gjorde forskere ved Tevatron heroiske bestræbelser på at overvinde deres energiforringelse med flere data og bedre måder at se på det. Da LHC officielt begyndte sit forskningsprogram i 2010, var det lykkedes Tevatronen at indsnævre søgningen, men ikke at opdage selve Higgs. Da Tevatron blev lukket i 2011, blev videnskabsmændene stående med store mængder data, og omfattende analyser, der blev annonceret tidligere i denne uge, bød et lidt tættere glimt af en stadig fjern Higgs.
I 2011 havde forskere ved de to store LHC-eksperimenter, ATLAS og CMS, annonceret, at de også lukker ind på Higgs.
I går formiddag havde de en anden meddelelse: De har opdaget en ny boson - en, der efter mere undersøgelse kunne vise sig at være den længe søgte underskrift af Higgs-feltet.
Opdagelsen af Higgs ville være starten på en ny æra i fysik. Puslespillet er meget større end blot en partikel; mørkt stof og mørk energi og muligheden for supersymmetri vil stadig vække søgere, selv efter at standardmodellen er afsluttet. Da Higgs-feltet er forbundet med alle de andre gåder, vil vi ikke være i stand til at løse dem, før vi kender dets sande natur. Er det det blå af havet eller det blå af himlen? Er det have eller sti eller bygning eller båd? Og hvordan forbindes det virkelig til resten af puslespillet?
Universet venter.
af Lori Ann White
Genudgivet med tilladelse fra SLAC National Accelerator Laboratory.