Vid den årliga Högenergikonferensen i Partikelfysik kulminerar forskaraktiviteten I ämnet. Ca 1000 insända vetenskapliga arbeten analyseras och kommenteras. Konferensen i Vancouver hade organiserats av IUPAP i samarbete med acceleratorlaboratoriet Triumph vid University of British Columbia i Kanada och nästan 1000 forskare hade mött upp för 7 dagars intensiv information och diskussioner. Sammankomsten gynnades av högsommarvärme och sol!

 Det stora samtalsämnet var de nya uppgifterna från Superkamiokande i Japan, nämligen att neutrinopartiklarna inte saknar massa som man i Standardmodellen hitintills antagit.

De nya mätresultaten gäller en analys av neutrinoreaktioner registrerade i en stor vattenfylld Cerenkovräknare som befinner sig i en djup gruva i Kamioka. Man registrerar sönderfallsprodukter från primära kollisionsprocesser högt uppe i den övre atmosfären, förorsakade huvudsakligen av protoner som kastas ut från solen. I kollisionerna skapas bl.a.laddade pi-mesoner som i sina sönderfall i princip ger upphov till en faktor två fler muon-neutriner än elektron-neutriner. Man observerar det förväntade antalet elektron-neutriner, men det fattas en viss bråkdel muon-neutriner. Om neutrino-partiklarna skulle ha en liten men ändlig massa så är det utomordentligt svårt att direkt mäta denna massa. Masseffekten visar sig i stället i en förmåga till omvandling eller oscillation av en typ av neutriner a till en annan typ b. Rent teoretiskt beskrivs denna omvandling av följande formel:

 P(n_a->n_b) = sin²2q sin²(1.27(L/E) Dm²),

där P är sannolikheten för oscillationen, q är en blandningsvinkel, L är avståndet från neutrinokällan till detektorn i km, E är neutrinoenergin i GeV, och Dm² är differensen i kvadraten på massorna i enheten eV². Genom att registrera relativt högenergetiska neutrinoreaktioner förorsakade av de två olika neutrinotyperna (elektron-neutrinon ger upphov till en elektron medan muon-neutrinon ger en muon i detektorn) och studera hur antalet reaktioner varierar som en funktion av infallsvinkel, som ger olika avstånd till den primära kollisionen, och med neutrinopartikelns energi har forskarlaget lyckats demonstrera ett L/E-beroende som är typiskt för en oscillation för muon-neutrinerna. Elektron-neutrinon saknar detta beteede. Mätresultaten har en signifikans som gör att de måste tas på allvar. Tolkningen av resultaten diskuterades livligt i Vancouver och det troliga svaret är att muon-neutrinon omvandlas till en tau-neutrino (det finns tre familjer av elementarpartiklar: elektronen, muonen och tauonen tillhör familj ett, två och tre respektive). Det mätta värdet på Dm² är 2.2 10^-3 eV², vilket betyder att tau-neutrinon måste väga minst 0.05 eV. Den bästa uppmätta övre gränsen hos denna partikel kommer från en analys av elektron-positronkollisioner vid LEP i CERN och är 18000000 eV. Osäkerheten om den verkliga massan är hos tau-neutrinerna är alltså stor!

Den andra generationen av experiment som mäter flödet av elektron-neutriner från solen är nu avslutade. Experimenten ger en samstämmig bild av att det saknas elektron-neutriner från solens fusionscykel och att man även i detta fall ser oscillationer, avseende elektron-neutrinon. Detta är inte i konflikt med de atmosfäriska mätningarna som beskrivits ovan och där antalet eletronhändelser var "normalt", ty avståndet L, liksom energin E, i formeln ovan antar helt andra värden. I solexperimenten kan det mycket väl vara så att elektron-neutrinon omvandlas till muon-neutrino som man inte kan observera pga av solneutrinernas låga energi. Men dessa resultat är mera svårtolkade än de atmosfäriska resultaten. De pekar på mycket lägre värden av Dm². Flera lösningar för massdifferensen existerar där tredje generationens experiment inom en 10-årsperiod kommer att ge det definitiva svaret.

Även i acceleratorexperiment, vid Los Alamos i USA, har man rapporterat indikationer på neutrinooscillationer som emellertid inte kan ha samma förklaring som de övriga resultaten. Dessa mätresultat är emellertid av låg signifikans och kan för ögonblicket försummas.

Det faktum att neutrinopartiklarna har en ändlig massa påverkar inte bara Standardmodellen, där man nu måste diskutera existensen av icke observerbara mycket massiva högerhänta neutriner, utan även kosmologin. Jag återkommer till detta nedan.

Liksom under större delen av 90-talet dominerades konferensen av rapporter från LEP-experimenten, där Lund deltar i DELPHI-experimentet (med över 80 insända bidrag). LEP är en partikelkolliderare för elektroner och positroner som specialbyggts för studier av den svaga kraftens förmedlarpartiklar Z och W. Tillsammans med den elektromagnetiska kraftens förmedlare fotonen utgör de grunden för den elektrosvaga teorin som Standardmodellen beskriver. Numera är även den starka naturkraften en del av denna Standardmodell. En mängd presicionsmätningar har utförts under 90-talet, bl.a. är massan av Z numera en välbestämd storhet (91186.7±2.1 MeV). W-massan är ännu inte lika väl bestämd (80390±60 MeV). Dessa partiklar är inte de tyngst i Standardmodellen: den 1995 upptäckta topp-kvarken leder med massan 173000±5000 MeV. Standardmodellen har ingen förklaring till den stora variationen av massor hos elementarpartiklarna. Man skyller det hela på tomrummets egenskaper. Vacuum är i Standardmodellen uppfyllt av ett Higgsfält där de elementära partiklarna växelverkar olika starkt vilket manifesteras i en sorts "tröghet" eller massa. Den bästa testen på denna nödvändiga ingrediens i Standardmodellen är att bestämma parametrarna för de allra tyngsta partiklarna, de som växelverkan mest med Higgsfältet.

Teorin ger en förklaring till att Naturen skapar den masslösa fotonen och den mycket tunga Z-förmedlaren från samma källa. Men samma teori förutsäger att den måste finnas minst en neutral Higgs-partikel som man borde kunna se i acceleratorexperiment. LEP-experimenten har hittills inte sett någon Higgs-partikel och har kunnat ange dess massa till att vara större än Z-massan. Man har letat efter sönderfall av Higgs till b-kvarkar eftersom de är de tyngsta kvarkar man kan tillverka vid LEP. Men Higgs kan också uppträda "virtuellt" (existera under ett kort ögonblick) i processer där tunga partiklar är inblandade och påverka t.ex. träffytan förproduktion av W. Presicionsresultaten från LEP i CERN och Fermilab i USA har nu ringat in den neutrala Higgs-partikelns massa till att vara mindre än 280000 MeV, och sannolikt mycket närmare 100000 MeV. LEP kan fram till dess att acceleratorn stänger för installationen av Large Hadron Collider (LHC) i slutet av år 2000 nå en Higgsmassa på 107000 MeV. Räcker inte detta får vi vänta på att LHC kör igång år 2005. Men denna nya protonaccelerator kan hela det intressanta massområdet för Higgs-partiklen studeras.

Det finns fyra stora acceleratorcentra i världen just nu, CERN, Fermilab, DESY och SLAC där man har resurser att flytta kunskapsgränsen ett snäpp nedåt i avstånd räknat, eller uppåt om man ser till masseffekter och där man söker efter nya fenomen bortom Standardmodellen. Den mest polulära utvidgningen av Modellen kallas Supersymmetri. Även denna teori innehåller ett komplicerat vakuumtillstånd, med ännu flera Higgspartiklar. Teorin knyter samman partiklar med olika spinn, halvtaliga fermioner med heltaliga bosoner, dvs materiabyggstenar med förmedlarpartiklar. Samtidigt fördubblas antalet partiklar - alla nu kända elementära partiklar får partners som man ännu inte sett i experiment. Det kan verka befängt att skapa så många nya partiklar för att vinna skönheten av en ny symmetriegenskap? Teoretikernas förklaring till att vi inte sett dessa supersymmetriska partiklar (av vilka minst en skall vara stabil!) är att de är tunga. LEP-experimenten har i sin analys letat efter flera varianter av supersymmetriska partiklar (vilket manifesteras i konstiga händelser där man saknar energibalans) och angett undre gränser för produktionen. Typiska undre massgränser ligger runt 40000 MeV. LHC kommer att bli ett utmärkt instrument för att söka efter sypersymmetriska partners till kvakar och gluoner.

Detta ger oss anledning till att fundera över Universum i stort och vad vi kan lära där. Hur är Universum sammansatt? Hur är materian fördelad i Universum? Vad är dess ursprung? Dessa tre frågor hör intimt samman med elementarpartiklefysiken som vi strax skall se.

De kosmologiska parametrarna har de senaste 5 åren ändrats. Inflationsteorin och observationer leder till antagandet att universums täthet är lika med den kritiska tätheten som ger Omega värdet 1. Omega är sammansatt av tre komponenter: det synliga bidraget från baryoner, bidraget från mörk materia, samt en kosmologisk konstant som man före1993 brukade sätta lika med noll. I Vancouver citerades nya och stora värden på den kosmologiska konstanten, bidraget till Omega skulle vara 0.65! Slutsatsen kommer från studier av hur galaxer är fördelade i Universum och där modellerna ger en materiaandel på endast 0.35 (därav svarar nukleosyntesen för 0.02-0.08 av Omega, resten upp till 0.35 är mörk materia). Ett reellt bidrag till den mörka materia måste vara neutriner i Universum som förekommer ungefär lika talrikt som fotoner. Men en neutrinomassa väl under 1 eV kan detta inte ge hela detta bidrag.

Vi vet från rotationskurvan av galaxer att rotationshastigheten hos stjärnor långt ifrån galaxcentrum inte avtar såsom den borde om materiefördelningen var densamma som från de synliga objekten. Den synliga materia i en spiralgalax är endast ca 10 %. Detta har lett till slutsatsen att det finns en betydande mängd sk mörk materia i galaxens halo. En kandidat för mörk materia är existensen av Machos, dvs av en stor mängd små stjärnor som inte lyste tillräckligt starkt för att kunna ses. Man har undersökt linseffekter i vår vintergata, speciellt i riktning mor the Magellanska molnen, och funnit att antalet Machos inte är tillräckligt stort för att förklara vintergatans rotation. Man är inte helt säker på att de eklipser som observerats i riktning mot de Magellanska molnen härrör från objekt på "halva vägen". Det kan eventuellt vara två objekt inom molnen. Det måste alltså finnas ytterligare någon komponent av mörk materia. En kandidat skulle vara den lättaste, stabila, supersymmetriska partikeln (WIMP). Nya kryogeniska Ge-detektorer uppnår snart tillräckliga volymer för att sätta goda gränser förspridning av WIMPs. Eventuellt skulle en ansamling av denna typ av materia i stjärnornas inre leda till lokal förintelse mellan supersymmetriska partiklar som ger upphov till relativt högenergetiska och detekterbara neutrinopartiklar? Ett av syftet med det svenska Amanda-experimentet i isen på Antarktis är att se sådana neutrinohändelser.

Det stora värdet på den kosmologiska konstanten är inte förklarad ännu - skulle detta vara en återspegling av en vakuumenergi skapad av Higgs-fältet? Framtida experiment vid LHC kanske kommer att ge oss en ledtråd. Nästa års högenergikonferens organiseras av European Physical Society och äger rum i Tammerfors i Finland.

Lund den 31 augusti 1998

Göran Jarlskog