Oppdagelsen av en ny partikkel

Forelesningssalen har vært avlåst siden kvelden før for å hindre folk fra å overnatte. De har stått i kø utenfor i timevis, noen har ligget der hele natten. Brannalarmen har gått uten en reaksjon fra køen, brannvesenet har kommet og gjort et halvhjertet forsøk på å jage vekk folk. Det bryter ut applaus når alarmen endelig skrus av. Timer senere slippes de heldige inn. Det er 4. juli 2012, og på CERN fylles det store auditoriet opp i løpet av minutter. Alle har hørt ryktene i ukevis, men nesten ingen av dem som er til stede vet nøyaktig hva de vil få høre nå. Det er to uavhengige eksperimenter som skal rapportere, og for å unngå å påvirke hverandre kjenner de ikke det andre eksperimentets resultater.

«Fysikkens hellige gral»

Higgsbosonet. Kjært barn har mange navn, sies det, og dette har fått mange underlige: «fysikkens hellige gral» og «gudepartikkelen». Det har vært et mysterium i snart 50 år nå, helt siden Peter Higgs og en rekke andre teoretikere forutså dets eksistens i 1964. Den gang var det en nødvendig ingrediens for å løse et underlig problem: Man hadde en teori for hvordan universets byggestener vekselvirket inne i atomkjernen, begynnelsen på den såkalte Standardmodellen. Men teorien hadde et fundamentalt problem: Den kunne ikke gi masse til noen av byggestenene, noe som gjør det umulig å skape den verden vi kjenner. Uten masse ville all materien fly forbi med lysets hastighet, og atomer, og i sin tur soler og planeter, ville aldri blitt formet. Vi mennesker ville naturligvis heller ikke vært her.

Vanskelig å få tak på

Løsningen på problemet var å introdusere Higgsfeltet, og med det Higgsbosonet. Opphavet til navnet er at Higgs var den første som forsto at sammen med feltet som var ansvarlig for massen, så ville det dukke opp en ny partikkel også. Ideen ser vakker ut på papiret, men det er en stor hake ved den: For å kunne ha tillit til at den er riktig, må man finne dette Higgsbosonet, og man må demonstrere at det har nøyaktig de egenskapene som forventes av det i Standardmodellen.

Siden har jakten pågått. For å produsere en slik ny partikkel, kolliderer man to vanlige partikler i en akselerator ved svært høye energier, og utnytter Einsteins berømte formel E = MC^2, som sier at energi kan omvandles til masse. Higgsbosonet er vanskelig å få tak i på av tre grunner: Det har stor masse og krever derfor svært mye energi for å produseres. Selv med tilstrekkelig energi produseres det sjeldent, og på brøkdelen av et sekund omvandles det til helt ordinære partikler, som er vanskelige å skille ut fra mengden av partikler som blir produsert i en kollisjon.

«Large Hadron Collider»

Ved å måle massen til andre elementærpartikler svært presist ble man etter hvert klar over den omtrentlige massen til Higgs, da disse størrelsene henger sammen. Det at man kunne utelukke eksistensen av tyngre og tyngre Higgsbosoner gjennom direkte søk ved akseleratorer ved høyere og høyere energier, mens man samtidig visste at det finnes en øvre grense for hvor tung Higgs kan være (teorien bryter til slutt sammen), la på midten av åttitallet grunnlaget for ideen om å bygge en maskin på CERN som ville garantere oppdagelsen av Higgs, dersom den eksisterer slik som forutsatt i Standardmodellen. Denne maskinen kalles Large Hadron Collider (LHC).

Vi har altså funnet ett Higgsboson denne uken, men arbeidet med Higgs har et langt tidsperspektiv.

Dramatiske resultater

Det har tatt 28 år fra LHC først ble foreslått til vi har nådd denne ukens dramatiske resultater. LHC hadde ikke vært mulig uten utvikling av teknologi som ikke eksisterte da den ble bestemt bygget: Det ypperste i akseleratorteknikk med superledende magneter for å holde protonstrålene på plass ved voldsomme energier, verdens største kjølesystem for magnetene basert på flytende helium, verdens største anlegg for beregning og lagring av data, såkalt gridteknologi med nøkkelbidrag fra NorduGrid, avansert sensorteknologi, og så videre. Og ikke minst en hærskare av motiverte, oppfinnsomme og hardtarbeidende fysikere, ingeniører, informatikere - alt satt i gang av en håndfull modige teoretikere for nesten et halvt århundre siden. Norge har deltatt i letingen etter Higgsbosonet i mange år. Først gjennom det forrige store eksperimentet ved CERN, Large Electron Positron Collider (LEP), og nå ved LHC. Her har Norge vært med på å bygge de indre delene av ATLAS-detektoren, ett av de to store eksperimentene ved LHC som presenterte sine resultater 4. juli.

Norske forskere har bidratt

Aktiviteten foregår hovedsakelig ved Universitetet i Bergen, Universitetet i Oslo, og ved Høyskolen i Gjøvik, hvor syv fast vitenskapelig ansatte, og om lag tolv midlertidig ansatte (doktorgradsstipendiater og postdoktorer) er involvert i ATLAS. Norske forskere har bidratt til viktige analyser av LHC-data, og i det vanskelige, statistiske arbeidet med resultatene som skal til for å nå partikkelfysikkens strenge kriterium for en oppdagelse. Forskningen finansieres av Norges forskningsråd, gjennom Norges medlemskap i CERN, og gjennom et bidrag til CERN-følgeforskning ved norske universiteter og høyskoler på om lag 20 millioner kroner pr. år, som deles mellom partikkel- og kjernefysikk. Vi vil takke for denne offentlige støtten, og minne om at dette er et vitenskapelig gjennombrudd betalt av fellesskapet - for fellesskapet.

Arbeidet har startet

Tilbake til auditoriet på CERN. De to foredragene, ett for hvert av de to store eksperimentene, tar over 45 minutter hver, begge fylt med tekniske detaljer. Det bryter ut spontan applaus flere ganger underveis. Etter at foredragene er over, tar CERNs generaldirektør Rolf Heuer ordet: «We have a discovery». Vi har altså funnet ett Higgsboson denne uken, men arbeidet med Higgs har et langt tidsperspektiv. Det gjenstår å vise at dette er akkurat den Higgs som er ventet i Standardmodellen, eller noe enda mer spennende. For å være sikker, må den nye partikkelens egenskaper måles med stor presisjon. Eventuelle avvik fra forventningene kan avsløre hittil ukjent fysikk. Higgs kan bli et fyrlys inn i det ukjente. Det arbeidet har allerede startet.