– Det er typisk at verden går under på en torsdag, for da går du akkurat glipp av helgen, sier professor i fysikk ved Universitetet i Oslo, Are Raklev.
Bak den spøkefulle tonen ligger det likevel et alvor. I over ti år har forskere undret seg over en graf. Hvorfor ser den ut som den gjør? Og hva er det som gjør at egenskapene til en liten partikkel tilfeldigvis havnet i det ene stabile området der verden kan eksistere, og ikke i det andre? Det er et mysterium.
Det hele begynte med en jubelrop og rungende applaus den 4. juli i 2012. Da annonserte forskere ved CERN at de hadde funnet beviser for at Higgsbosonet eksisterer. Les også: Higgs 10 år: – Det var rockekonsertstemning
Higgsbosonet er en partikkel. Uten dens eksistens får ikke forskerne likningene som beskriver verden til å gå opp. Derfor var de svært glade da denne partikkelen viste seg å finnes. Likevel fikk de raskt et nytt problem: partikkelen de har funnet kommer fra et felt som er ustabilt, uten at forskerne har noen god forklaring.
– Higgsfeltet er det som gir masse til alt her i verden, enten direkte eller indirekte. Det betyr også at det er det som sørger for at vanlig stoff – ting – kan eksistere, for eksempel meg, du, penner, sola, og sånne ting. Hvis elementærpartiklene ikke hadde fått masse av Higgsbosonet, så hadde de virret rundt i lysets hastighet, men aldri formet noen strukturer, forklarer Raklev.
Les også: Historien om elementærpartiklene på 37 minutter
Universets bakkelandskap
Raklev forteller at Higgsfeltet er som andre felter i fysikk: Det har et potensial. Potensialet ser ut som et bakkelandskap. Et eksempel på et potensial kan være en oppoverbakke med en topp og en dalbunn. På jorda vil et bakkelandskap være det potensialet laget av tyngdekraften. En ball som ligger på toppen av bakken triller alltid ned til et flatt område hvis den får seg en liten dytt. Der vil den være stabil til den får mer energi i form av at noen sparker den opp til toppen. Slik er det også med potensialet til Higgsbosonet.
– Det rare med Higgspotensialet, og den sensasjonelle oppdagelsen vi har gjort siden 2012, er at det virker som om vi ikke er på bunnen av potensialet, og det er jo litt dumt, sier Raklev. Vi er i en liten lokal sidedal, som er det vi kaller et lokalt minimum på fysikkspråket.
Det fysikerne frykter er at verden plutselig skal havne i den andre stabile tilstanden, litt lengre nede i potensialet.
Det er kvantemekanikken som gjør ustabiliteten mulig
– Med en vanlig ball ville vi være trygge i denne situasjonen. Hvis den ligger nede i den lille dalen krever det at noen kommer og sparker den over, den må ha en dytt, men så er dessverre verden, eller universet, grunnleggende kvantemekanisk. Det betyr at partikler kan tunnelere. Det vil si at den plutselig kan bestemme seg for å hoppe over den lille toppen til den andre siden, og der er det nedoverbakke, sier Raklev.
Kvantemekanikk beskriver en del sære egenskaper som opptrer når noe er veldig lite, som et atom. Tunnelering er en slik kvantemekanisk effekt. De fleste har antagelig sett en tunnelering uten å vite om det. Mange TV-er bruker nemlig dette prinsippet for å vise bilder på skjermen. Problemet med tunnelering er altså at Higgsfeltet plutselig kan befinne seg på den andre siden av bakketoppen, som om den har gått gjennom en tunnel.
– Tingen er at det finnes en sannsynlighet, en liten en, for at Higgsfeltet bare hoppet fra det minimum det ligger på til det virkelige minimumet lengre nede, forklarer Raklev.
Verden kan ha gått under allerede
Raklev forklarer at en slik tunnelering kan sammenliknes med andre faseoverganger i fysikk. Det betyr at dersom Higgsfeltet plutselig tunnelerer, et eller annet sted i universet, vil det før eller siden komme til oss.
– Når vi varmer vann, og det begynner å koke, ser du at boblene blåser seg større. Etter hvert treffer de hverandre og ekspanderer og til slutt bobler de opp og sprekker. Hvis Higgsfeltet allerede har tunnelert vil det området utvide seg veldig raskt, opp mot lysets hastighet, og til slutt kommer det til oss, sier Raklev. Det som er et problem med ting som går i lysets hastighet, er at ingen informasjon kan komme til oss før det. Det betyr at det godt kan ha skjedd et sted ute i universet og at det er på vei mot oss. Det vil vi ikke kunne vite.
En stabil tilstand, men uten atomer
– Hvordan ser universet ut i det andre minimumet?
– Det er vi litt usikre på, for det er en del om det Higgspotensialet vi ikke vet, men sannsynligvis er Higgspotensialet veldig mye større der. Det får veldig dramatiske konsekvenser, for det endrer egenskapene til alle ting i universet og sannsynligvis kan ikke atomer eksistere der, sier Raklev.
Selv om det andre minimumet er stabilt vil altså verden ikke være til å kjenne igjen.
Hva skjer hvis noen sparker ballen oppover bakken?
Raklev forteller at det er mulig at Higgsfeltet kan få energi også.
– Hvis du øker temperaturen nok, høyere enn temperaturen i stjerner, så slutter ting effektivt sett å ha masse. Det betyr at hvis vi bruker ballanalogien kan vi løfte ballen svært, svært høyt opp, sier Raklev.
I universets begynnelse kan det ha vært så varmt. Når det ble kaldere kunne Higgsfeltet lande på et stabilt sted, men hvorfor skjedde det her, og ikke i det stabile feltet lengre nede i potensialet?
– Det er et av de store problemene forskere faktisk undrer seg over. Hvorfor datt vi ned i dette lille minimumet her, i stedet for i det andre når det tidlige universet var veldig varmt? Det vet vi ikke, sier Raklev. I mange modeller burde vi ikke havnet her vi havnet.
Higgsbosonets masse er målt med høyere nøyaktighet
Et annet problem er at målingene som er gjort viser at Higgspartikkel er for lett.
– Vi vet ikke hvorfor det er så lett. Det burde ha vært cirka 15 størrelsesordener tyngre, sier Raklev.
Han forklarer at vekten til partikkelen er knyttet til grafen, og at de fysiske mekanismene bak grafen ikke er kjent. En av Raklevs kolleger har i flere år jobbet med å komme nærmere en eksakt måling av Higgsbosonets masse. Resultatene har nylig blitt sendt til tidsskriftet Physics Letters B. Da forskerne jublet over funnet av Higgsbosonet i 2012 var målingene av massen veldig usikker. Etter hvert har metodene og mengden data gjort at det har kommet svært nær.
– Det er to ting som gjør at vi har mindre usikkerhet rundt Higgsbosonets masse enn noen gang, forklarer professor Alexander Read ved Universitetet i Oslo. Vi er nå ferdige med å analysere data fra 2015 til 2018. Vi har mer data enn noen gang før, men vi har også bedre kalibrering av instrumentene enn tidligere. Det gjør at vi har en veldig klar måling av Higgsbosonets masse.
Read har jobbet med å måle Higgsbosonets masse ved partikkelakseleratoren på CERN. Massen kan måles eksperimentelt, men han forklarer at noen av egenskapene ved Higgsbosonets potensial er umulige å teste. For eksempel er det ikke mulig å gi potensialet til en partikkel en dytt, slik at det havner i det andre mimimumet.
– Hvis vi hadde kunnet teste det hadde vi risikert å ødelegge universet, forklarer Read. Heldigvis er det umulig, fordi det hadde krevd uendelig mye energi.
Det ingen som vet hvorfor grafen er som den er
– Det er jo en av tingene vi begynner å lure på: Hvorfor ser det feltet ut sånn som det gjør? Det er det eneste feltet som oppfører seg sånn, sier han. Det er det mest utilfredsstillende med standardmodellen i partikkelfysikk; at formen på det Higgs-potensialet bare er satt inn slik at det skal passe med observasjonene, sier Raklev.
Raklev forteller at forskere jobber med å finne ut hva den eksakte formelen og de fysiske prinsippene som ligger bak er. Ifølge ham er det mulig at grafen ser slik ut fordi det finnes flere Higgsbosoner, og flere Higgsfelter, og at disse vekselvirker med hverandre. For å undersøke muligheten for det lager partikkelfysikere modeller av hvordan ting ville sett ut.
– Hvis jeg legger til nye partikler i modellen min, så kan det hende at minimumet i feltet vil være et annet sted, sier Raklev.
Les også: Ny start på CERN: – Jeg tror vi finner et higgsboson til
Higgsfeltet kan aldri være null – dramatisk, mener Raklev
Et elektrisk felt vil forsvinne når strømmen skrus av. Higgsfeltet kan imidlertid aldri være null – ting vil alltid ha masse.
– Hvis vi tenker over det, så er det dramatisk. Det vi ser er at universet har et Higgsfelt over alt. Vi fysikere liker å ha et eksperiment, et helt tomt rom, som vi kan kjøle ned til laveste energi, slik at det ikke er noe i det. Selv der vil det være et Higgsfelt. Higgsfeltet kan du aldri skru av, sier han.
Foto: Elina Melteig
Vi er beskyttet av sannsynlighet
Til tross for ustabiliteten og alle de ubesvarte spørsmålene om Higgsfeltet, er ikke Raklev bekymret:
– Vi er beskyttet av sannsynlighet. Universet har vært her i 14 milliarder år og det er ingenting som tilsier at ikke denne sannsynligheten er konstant over tid.
Det betyr at dersom det ikke har skjedd noe de forrige 14 milliarder årene, så er det ganske sannsynlig at det ikke kommer til å skje noe de neste 14 heller.
Are Raklev
Read er heller ikke bekymret.
– Jo lengre avstand det er mellom de stabile områdene, dess lavere sannsynlighet er det for at den tunnelerer. Vi mistenker at det andre minimumet er veldig, veldig langt borte, så vi kan sove godt, smiler Read.
I stedet for å beykymre seg, bør man heller undre seg og bli fysiker:
– Dette er jo en av de store fysikksatsingene. Disse spørsmålene er grunnen til at vi gjør eksperimenter på CERN, avslutter Raklev.
Les forskningsartikkelen her:
The ATLAS Collaboration, Measurement of the Higgs boson mass with H→γγ decays in 140 fb−1 of s√=13 TeV pp collisions with the ATLAS detector, Physics Letters B, august 2023
Link til preprint av forskningsartikkelen finnes her arXiv:2308.07216
