Krocken gav klarhet - Så hittades Higgspartikeln

När man bygger en fysikalisk teori måste man ha en grund att stå på. En teori om allt, som passar alla. Det var så partikelfysikerna skapade sitt ”periodiska system”, den så kallade standardmodellen.

När Mendelejev konstruerade det periodiska systemet för grundämnena märkte han att det gick att förutsäga egenskaper för de grundämnen som fattades i systemet, de som ingen ännu hade sett. På samma sätt är det med standardmodellen, det fattas lite här och var – det finns hål att fylla.

Pang! Två protoner kolliderar (infälld simulation) mitt i Atlasdetektorn vid Cern med kraften av två myggor som kör ihop i ljusets hastighet. Förödelsen blir total. Splitter av myggorna kan detekteras genom flera ton järn. Observera att inga detektorelement är monterade i den här bilden. De stora rören är de åtta supraledande toroidmagneter som ska böja av partiklarna. Resten är chassit.

Ett av hålen har fyllts i med Higgsbosonen, eller Higgspartikeln som den också kallas. Det gällde bara att påvisa den, och det gjorde man den 4 juli 2012.

Standardmodellen är ingalunda komplett efter det datumet. Det finns åtskilliga luckor att fylla i, med åtskilliga hypotetiska partiklar och symmetrier, men den här artikeln kan beklagligtvis inte gå så djupt som en fullständig förklaring skulle kräva. Ej heller kan vi gå in på den allmänna teorin bakom kvarkar och andra subatomära partiklar.

Hur Higgspartikeln hittades vet Sara Strandberg, lektor i elementarpartikelfysik vid Stockholms universitet, som jobbar med Atlas-experimentet vid LHC på Cern.

– Experimentet går ut på att man krockar protoner i frontalkollisioner i nästan ljusets hastighet 40 miljoner gånger i sekunden och ser vad som kommer ut ur kollisionerna, berättar hon.

– Protonerna kommer i buntar med miljardtals protoner i varje, de kan snarast liknas vid galaxer. Huvudsakligen far galaxerna tvärs igenom varandra, men ett tjugotal partiklar krockar varje gång och sprider massor av partikelsplitter. Om krocken blir tillräckligt bra, i bemärkelsen att protonerna inte bara slås sönder utan att det ur kollisionsenergin även skapas nya, högenergetiska, partiklar, uppstår en triggersituation. I så fall sparar man alla data kring krocken för vidare behandling, men i de allra flesta fall glömmer man allt.

Utdata från ”splitter”-sensorerna i Atlas filtreras i tre steg med allt hårdare kriterier, nivå 1, 2 och 3.

– Nivå 1, eller första-nivåstriggern, är en undersökning av energier som avsatts i Atlas energimätare, kalorimetern, och är energin för låg sparas inget. Nivå 3, eller händelsefiltret, ger trots noggrann silning en utmatningsfrekvens på 400 kollisioner per sekund, där alla data sparas på magnetband. Av dessa innehåller ungefär en utläsning per dag data om en Higgspartikel, säger Sara Strandberg.

Den innersta detektorn, pixeldetektorn, har 80 megapixel, bestående av backspända dioder som lämnar en spänningspuls varje gång de genomflyts av en laddad partikel. Alla dessa 80 megapixel kan inte matas ut hela tiden, utan de sparas i en fifo-kö som är 2,5 mikrosekunder lång. Systemet tar 2,5 mikrosekunder på sig att fatta ett beslut och om det blir tummen upp, matas de 80 miljoner pixlarna ut. Annars kastas de.

Pixeldetektorn är en hoprullad digitalkamera med 80 megapixel upplösning, där bildsensorn vänder inåt. Protonstrålarna möts i hålet i mitten och partiklarna sprutar ut genom detektorkorten, de små staplade kretskorten runt detektorns väggar. Alla ledarna bär ut bildinformationen. Bild: Cern

– Efter lagring och kalibrering av signalerna – vilket sker i en datafarm som kallas Tier 0 – skickas data ut till alla de 38 deltagande länderna för vidare bearbetning – via datafarmerna Tier 1 och Tier 2 – eftersom det kräver för mycket datakraft för att en enda organisation ska kunna klara det, säger Sara Strandberg.

Åter till standardmodellen. Redan 1964, långt innan man visste vilken massa Higgspartikeln har, nämligen 125 gigaelektronvolt, hade forskarna förutsagt partikelns andra egenskaper i och med standardmodellen. Man förutsade också att standardmodellen skulle kollapsa som idé om inte en partikel som Higgspartikeln existerade. Men innan man hade förstått Higgsmekanismen, alltså förklaringen till att vissa partiklar hade massa medan andra inte hade det, kunde man inte säga vad Higgspartikeln bestod av och hur den skulle sönderfalla, och därmed inte heller veta hur man skulle detektera den.

Higgspartikeln finns inte inuti protonen och bara ligger där och trivs, utan den skapas i kollisionsögonblicket. Ett sätt att få till en Higgspartikel är att krocka en kvark och en antikvark. I dagligt tal brukar man säga att vanliga protoner bara består av vanliga kvarkar, men i själva verket består de av detta och ett helt sammelsurium av kvark-antikvark-par som hela tiden skapas och förintas enligt Heisenbergs osäkerhetsrelation. Med en viss sannolikhet kan därför en kvark från en proton och en antikvark från en annan proton kollidera och skapa en Higgspartikel. Det vanligaste är dock att två gluoner, alltså den starka kärnkraftens budbärarpartikel och den som håller ihop protonen, krockar och skapar en Higgspartikel.

När en kvark och en antikvark möts annihileras de, omvandlas fullständigt till energi, och ur denna energi kan nya partiklar skapas med vissa givna sannolikheter, nämligen antipartiklar, elektroner, Higgspartiklar och så vidare. Higgspartikeln skapas alltså som ett resultat av kollisionen kvark-antikvark med en viss sannolikhet – men det är bara halva sanningen.

Hela världen är uppbyggd av kvantmekaniska fält. Higgsfältet finns överallt i universum. När man tillför energi till fältet genom att krocka två protoner med tillräcklig energi, exciteras fältet, och det uppkommer en krusning i det. Higgspartikeln är en excitation av fältet. Låter det knepigt tycker du?

Higgsfältet är inte ett sådant där blålysande kraftfält som de har i ”Star Trek”. Tänk på ett elektriskt fält, som existerar mellan två elektroder. Det gör ingenting, det bara finns där och representerar energi. För man in en elektron i fältet, samverkar den med fältet, får en bit av fältets energi, omvandlar energin till rörelse och accelereras mot den positiva elektroden. För man in en neutron i samma fält, samverkar den inte alls eftersom den är neutral, och får ingen energi alls av fältet. Neutronen fortsätter rakt fram.

Higgsfältet representerar viloenergi som finns överallt i universum, och en partikel som samverkar med fältet kan få en del av viloenergin och omvandla den till massa – eftersom energi och massa är samma sak. Andra partiklar, till exempel fotoner, samverkar inte med Higgsfältet, och erhåller inte massa, utan rusar iväg i ljusets hastighet.

Elektroner, som får sin massa från fältet, spelar en avgörande roll för att atomer och molekyler ska bildas och hålla ihop. Om Higgsfältet plötsligt försvann, skulle all materia kollapsa när masslösa elektroner gav sig iväg med ljusets hastighet, omöjliga att fångas in i atomer och molekyler. Inget vi känner till skulle finnas, än mindre vi själva.

En Higgspartikel kan sönderfalla till olika andra partiklar, med störst förkärlek (56 procent av gångerna) till två bottenkvarkar, men i sällsynta fall även till två fotoner, två gluoner (8,5 procents chans), två tau eller två Z-bosoner (3 procent) som i sin tur blir till exempelvis fyra myoner. Alla dessa kan Atlas mäta noggrant.

Det näst vanligaste sönderfallet (23 procent) är dock två W-bosoner, som i sin tur vardera sönderfaller till exempelvis en elektron och en neutrino. Sluttillståndet innehåller två neutriner, som är svåra att mäta tillsammans, och då kan man inte längre rekonstruera massan för Higgspartikeln, utan bara hamna i storleksordningen 120 gigaelektronvolt.

Utöver det här sprutar det omkring massor av andra partiklar i detektorn hela tiden från andra, samtidiga kollisioner, som skapar ett bakgrundskvark- brus som gör det svårt att detektera just Higgspartikeln. Det här breda spektrumet av utfall och den låga upplösningen i fallet med neutrinerna har gjort utvärderingen svår. Men det gick.

Vad har naturen för nytta av Higgspartiklarna? Ingen alls. De förekommer inte i fritt tillstånd. Det naturen har nytta av är Higgsfältet, som ger saker och ting, alltså partiklar, sin massa. Olika partiklar är olika tunga beroende på hur starkt de samverkar med Higgsfältet, på ungefär samma sätt som en logdörr samverkar mera med luften än en pil skjuten från en pilbåge. Men dra inte den analogin för långt – Higgsfältet emotsätter sig inte rörelse, det utgör inte ”sirap” som får partiklar att sakta in. Att både pilen och logdörren faller till marken efter ett tag, ska skyllas på gravitationen. Den vet vi ännu inte hur den fungerar, men den utgör ännu ett intressant, icke ännu ifyllt hål i standardmodellen.

Vad kan forskarna göra med Higgspartiklarna? Inget alls, utom att hösta in ett antal Nobelpriser. Partikeln fungerar bara som ett mellanled, ett bevis på att standardmodellen är rätt väg mot den stora samlade teorin om allting, the Grand Unified Theory of Everything.

Vad kommer att hända när man nu snart vevar upp Cerns stora partikelacceleratoranläggning LHC till 2 gånger 6,5 teraelektronvolt? Kanske får partikelfysikern Anna Davour som hon önskade i min tidigare artikel om mörk materia (se TechWorld 6/2014 eller tinytw.se/morkmateria). Med lite tur, menar Sara Strandberg, kanske man kan skapa wimp-partiklar i LHC. Kanske finns de redan i befintligt mätdata. Wimp:ar är ett annat av hålen i standardmodellen som kan behöva fyllas i. I så fall får man slutligen reda på hur den mörka materien skapas och kan sätta in bättre metoder att hitta den i universum.

Nu: Mer detaljerat om hur partikeln upptäcktes!

(Klicka bilderna nedan för större versioner.)

En fruktansvärd smäll

Bild 1 visar en krock i detalj. Higgspartikeln finns inte alls inuti protonerna som kolliderar, utan bildas i själva kollisionsögonblicket. En fri Higgspartikel lever bara i 0,0000000000000000000001 sekunder och hinner under den tiden endast färdas 0,00000000000003 meter. Den kan då falla sönder i två Z-bosoner, som lever i 0,0000000000000000000000001 sekunder. Vardera.

Fattar du vilken fruktansvärd smäll det blir? På någon attosekund förstörs naturens innersta beståndsdelar i en våldsam krasch och blir till splitter som kan tränga igenom berg.

Men naturen själv är mycket värre. Kosmisk strålning håller mycket högre energier än så, och kan gå tvärs igenom hela jorden.

Atlasdetektorn är uppbyggd som en tunna, och inuti den ligger olika detektorer i lager, virade runt strålröret i mitten där protonerna krockar. Bild 2 visar en tårtbit av detektorn.

Innerst sitter spårdetektorn som allra innerst har en pixeldetektor på 80 megapixel i flera lager, några centimeter från kollisionspunkten.

Anledningen till den höga upplösningen är att man vill kunna återge sönderfallspartiklarnas spår i tre dimensioner, för att kunna ta reda på exakt varifrån, alltså från vilken kollision de kom, eller om de kom från ett sekundärt sönderfall en bit från kollisionen, eller möjligen från kosmos i form av kosmisk strålning. Higgspartikeln har för kort livslängd för att detekteras på detta sätt. Man får inrikta sig på dess sönderfallsprodukter.

Ju längre ut man kommer från strålröret, desto lägre upplösning har detektorelementen, men desto tyngre partiklar kan de absorbera och mäta energin hos. Genom att använda olika, allt tyngre ämnen som bly eller stål varvat med detektormaterial kan man ta reda på vilka typer av partiklar som absorberats.

Exakt vilken typ av partikel det handlar om, avgörs av vilka detektorer som aktiveras. En foton (exempelvis röntgen) kommer att deponera all sin energi i den elektromagnetiska kalorimetern, men den lämnar inget spår i den inre detektorn, eftersom en foton är elektriskt neutral.

En elektron kommer också att deponera all sin energi i den elektromagnetiska kalorimetern, men den lämnar dessutom ett spår i den inre detektorn.

Andra, tyngre partiklar, som protoner och neutroner, kommer att fortsätta ända ut till den hadroniska kalorimetern dumpa sin energi där. De allra lurigaste partiklarna som vi känner till i dag är myonerna, som reagerar väldigt lite med kalorimetrarna. De stoppas ändå till sist i myonspektrometern längst ut. Myonsystemet skapades enkomt för att hitta Higgspartikeln, som exempelvis kan falla sönder i fyra myoner, om inget annat system skulle duga för att hitta partikeln.

Man vill kunna räkna samman energin från kollisionens alla partiklar, så att man vet att man hittat alla fragment. Dock finns det partiklar som inte kan mätas direkt, som neutriner. Eftersom rörelseenergin i kollisionen måste vara bevarad, enligt fysikens lagar, kan man ändå med helt vanlig subtraktion sluta sig till att en neutrino måste ha bildats och åt vilket håll den farit.

För att kunna bestämma energierna innehåller detektorn olika magnetsystem, som böjer av partiklarnas banor, så man kan se hur höga energier de har. Lågenergetiska partiklar böjs av kraftigare än högenergetiska och antipartiklar böjs av åt motsatt håll mot materia.

Innerst sitter en solenoid med hela 2 tesla magnetfält längs partikelstrålen, som böjer av partiklarna i en bana runt strålröret. Magnetfältet åstadkoms med en likström på 7 600 ampere. Om partiklarna är tillräckligt högenergetiska för att slinka ur solenoidfältet träffar de på toroidfältet på 3,9 tesla som böjer av dem i fram-backriktningen. Fältet åstadkoms av 8 toroidspolar med en drivström på 20 500 ampere!

Bild 3 visar hur krocken ser ut i ”verkligheten”, med ett exempel längst ned på 21 kollisioner i ungefär naturlig storlek. De olikfärgade linjerna är sönderfallspartiklar av olika typ och energi. De flesta partiklarna representerar ointressant, känd fysik. De två kraftiga gula linjerna är myoner som skapats ur en Higgspartikel. Partikeln själv eller dess färdväg syns inte i den här skalan, bara resultatet av dess sönderfall. Hur vet man att de två intressanta partiklarna kom just från kollisionspunkten? De grova röda linjerna i myondetektorerna (grå plattor ytterst) representerar triggvillkoren. Efter att Atlas-detektorn lämnat en triggsignal betraktar man alla data från hela detektorn för tillhörande kollision, och simulerar alla partiklars väg tillbaka till centrum.

De gula linjerna råkade mötas i kollisionspunkt nummer fyra från vänster, tillsammans med lite annat lågenergetiskt skräp (rött) som far iväg åt andra håll. De två gula och de 11 röda linjerna ska tillsammans representera lika mycket energi som de två ingående, förstörda protonerna, nämligen 7 teraelektronvolt.

De två gula linjerna representerar tillsammans en energi på 125 gigaelektronvolt, vilket man antagit är Higgspartikelns energi. När man fått tillräckligt många sådana händelser som kan härledas till en partikel på 125 gigaelektronvolt som fallit sönder, har man hittat det man söker. Förmodligen. Det är bara statistik, men med tillräckligt många händelser blir statistiken till bevis.

De störningar som uppkommer när en partikel slår igenom en av cirka 100 miljoner stycken detektorer (bild 4), A/Domvandlas och skickas in i ett skiftregister som sitter monterat inuti detektorapparaten, där data klockas framåt synkront med partikelpaketen.

Det totala flödet in i alla skiftregister är ungefär en petabyte per sekund. Det är mera data än hela Europas sammanlagda teletrafik.

Bilden visar efterbehandlingen av data i fyra nivåer, alltså Tier 0–3. Tier 5 är forskarnas hjärnor – som med all annan forskning kommer de slutliga svaren ur den ultimata datorn hjärnan, när forskare fått träffas och stöta och blöta idéer med varandra. Läs mer om det i artikeln ”Andra gången gillt för LHC” (tinytw.se/andralhc).

Kurvan på bild 5 visar statistik från mätningar av en av många sönderfallstyper, nämligen från Higgspartikel till två fotoner (H→γγ). X-axeln visar den sammanlagda energin (massan mγγ i gigaelektronvolt) av två samtidigt detekterade fotoner.

Får man tillräckligt många händelser där man registrerar två fotoner som tillsammans utgör 125 gigaelektronvolt har de skapats ur en och samma typ av händelse: en tidigare okänd, sönderfallen partikel.

Den översta y-axeln anger antalet händelser i denna mätning, cirka 5 000 i det intressanta området. Tar man bort bakgrundsbruset får man den nedre kurvan, där man ser att händelsen vid 125 gigaelektronvolt är 400 gånger vanligare än bakgrunden.

Bild 6: När man lägger ihop sannolikhetskurvorna för alla typer av sönderfall – fotoner, Z-bosoner, W-bosoner, fyra myoner och så vidare – pekar alla på 125 gigaelektronvolt med en säkerhet på 6 sigma eller en miljard gånger högre sannolikhet än slumpen. Där har vi vår delinkvent!

Bild 7: Alla länder som är med och räknar på data från Atlas i Tier 1 är orange på kartan.