Naturkrafterna

Elementarpartikelfysiken har till uppgift att klarlägga de grundläggande naturkrafternas egenskaper och inbördes samband (ursprung). Dessa naturkrafter är: den elektrosvaga kraften, den starka kraften och gravitationen.

Den klassiska formuleringen av elektromagnetismen förenade elektriska och magnetiska fenomen i en enhetlig teori. Partikelfysiken har nyligen kommit ytterligare ett steg i riktning mot ursprunget genom att de elektromagnetiska och svaga krafterna förenats i en formulering: den elektrosvaga teorin som belönades med nobelpriset 1979. Förekomsten av de neutrala strömmarna i neutrinoreaktioner i CERN-experiment 1973 var det första tecknet på denna föreningsbild. Även i data från förintelsen mellan elektroner och positroner till ett sluttillstånd av myoner, såg man tydliga spår av interferens mellan fotonen, den elektromagnetiska kraftens förmedlarpartikel, och Z-partikeln, en av den svaga kraftens förmedlare. Snart därefter lyckades forskare på CERN detektera en handfull händelser, där själva Z-partikeln producerades som en reell partikel med den förväntade massan, ca 100 gånger tyngre än protonen. Några tiotal av dess nästan lika tunga kolleger W⁺ och W^- iakttogs också. Denna upptäckt belönades med nobelpriset 1984. Med den nya acceleratorn LEP produceras nu tusentals Z-partiklar varje dag i förintelsen mellan elektron och positron.

Kvarkmodellen formulerades år 1964 då de tre lättaste kvarkarna up, down och strange infördes som byggstenar i de sammansatta hadronerna vilka alla kunde klassifieras såsom objekt bestående av kvark-antikvark (meson) eller tre kvarkar (baryon; hit hör protonen). Nu kunde också den starka kraften som svarar för bildandet av atomkärnan utvecklas och få en trovärdig beskrivning. Men fria kvarkarna letade man efter förgäves - de är alla fjättrade inom hadronerna. Den nya teorin för den starka kraften kallas kvantkromodynamik där gluoner förmedlar växelverkan mellan färgladdningar. Man saknar fortfarande det förmodade inre sambandet mellan de starka och elektrosvaga krafterna trots att man har genomfört flera experiment som skulle signalera ett sådant släktskap.

Även sambandet mellan gravitationen och övriga naturkrafter är tills vidare oklart, men en väg som prövats är s k supersträngteorier. Experimentellt söker man påvisa existensen av gravitationella vågor genom att fånga upp dem i särskilda gravitationsdetektorer. Här måste vi i framtiden få hjälp av kosmiska källor för gravitationssignaler (supernovaexplosioner).

Standardmodellen

Processer inom elementarpartikelfysiken beskrives numera av Standardmodellen för elektrosvag och stark växelverkan. Modellen innehåller symmetrigrupperna SU(3), SU(2) och U(1) där den första beskriver den starka växelverkan som innehåller tre olika färgladdningar och åtta olika förmedlarpartiklar (gluoner), medan SU(2) och U(1) beskriver elektrosvag växelverkan där förmedlarpartiklarna är W⁺, W^-, Z^o och g och där de verksamma laddningarna kallas svagt isospin respektive hyperladdning Den elektriska laddningen Q är en lineärkombination av dessa laddningar. Standardmodellen fungerar som en formel, vars teoretiska förutsägelser ställs mot experimentella data från bl a LEP. DELPHI-experimentet vid LEP är ett huvud-projekt för hela den experimentella partikelfysiken i Sverige, med deltagande från Lund, Stockholm och Uppsala.

I LEP kolliderar strålar av elektroner och positroner med en kollisionsenergi som bestäms av önskan att närmare undersöka de nyligen (1983) upptäckta svaga förmedlarpartiklarna Z och W och deras sönderfall och växelverkan. Här kan giltigheten av standardmodellen sättas på avgörande prov. Precisionsdata från de fyra LEP-experimenten har bekräftat alla förutsägelser av Standardmodellen och bestämt Z-partikelns parametrar, massa och vidd, med fel på endast ca 3 MeV. Tyvärr förklaras inte hur partiklarna får sina massor eller varför kvarkar och leptoner (elektronen hör hit) förekommer i en repetition av tre familjer. Vi får inte svar på grundläggande och väsentliga frågor såsom:

- hur många materiebyggstenar finns det?

- vad är egentligen elektrisk laddning?

- vad är spinn?

- vad är massa?

Standardmodellens symmetriegenskaper ger alltså inte automatiskt partiklarna deras olika egenskaper. En väsentlig ingrediens måste tillföras för att komplettera modellen. Den kandidat man föreslagit är Higgs-teorin. Denna påminner om gamla tiders eterteori. När olika partiklar rör sig genom Higgs-havet möter de olika "motstånd", och uppfattas därför ha olika massor och andra egenskaper. Om Higgs-teorin är riktig så förutsägs minst en neutral Higgs-partikel existera. Detta undersöks med hjälp av LEP, hitintills med negativa resultat; med nuvarande strålenergin, ca 45 GeV, har man bestämt den undre gränsen på Higgs-partikelns massa till ca 65 GeV. Higgs-teorin innehåller ingen bestämd förutsägelse om Higgspartikelns massa men teorin som sådan blir ointressant om ingen Higgs hittas med massa under 1000 GeV - detta är också den övre gräns som är åtkomlig för framtida LHC-experiment.

Astrofysik och kosmologi

Elementarpartikelfysiken har nära samband med astrofysiken och kosmologin. Den anger förutsättningarna för universums skapelse och öde i framtiden. En närliggande demonstration av detta samspel gavs i samband med supernova-explosionen i det stora Magellanska Molnet som observerades 1987, och som allra först gav sig till känna genom ett antal neutrinoreaktioner i detektorer där man egentligen mätte protonens livstid. Neutrinerna hade färdats drygt 150 000 år innan de sköljde över oss under loppet av några sekunder med ett flöde på omkring 10¹¹ per cm². Det faktum att signalen var begränsad till några få sekunder gav beskedet att neutrinopartiklarna färdats lika snabbt oberoende av energin, vilket ger ett villkor på deras massa. Denna uppskattades vara högst 20 eV. Den bästa mätningen av elektronneutrinons massa ger emellertid b-sönderfallet av tritium, f n en övre gräns på 4.5 eV.

Neutrinopartiklarna har haft en viktig roll i universums utveckling. Bl a styrdes avkylningsförloppet efter Big Bang då de lätta grundämnena bildades av hur många olika slags neutriner som fanns - LEP-experimenten har bestämt detta antal till tre. Vidare kan en liten ändlig neutrino-massa utgöra en väsentlig del av universums materieinnehåll - denna hypotes har ett vist experimentellt stöd i den relativa sammansättningen av neutriner alstrade i yttre atmosfären och i solens inre. CERN-experimenten söker efter neutrino-oscillationer som en manifestation av samma sak.

Ett annat exempel på eventuellt samspel mellan kosmologi och experiment vid acceleratorer (LEP och senare LHC) är i sökandet efter supersymmetriska partiklar. Dessa nya acceleratorer täcker upp det intressantaste massområdet för en stabil supersymmetrisk partikel, som skulle ge ett bidrag till universums totala massa och begränsa dess expansion. Det svenska AMANDA-projektet på Sydpolen har på sitt program sökandet efter högenergiska neutrinohändelser som eventuellt signalerar förintelsen av supersymmetriska partiklar.

Ytterligare exempel på beröringspunkter mellan partikelfysik och kosmologi finns, t.ex. studier av CP-brott i system av neutrala K-mesoner eller B-mesoner vilket fenomen kan vara förklaringen till asymmetrin i Universum mellan materia och antimateria. Vidare ger högenergetiska kollisioner mellan tunga kärnor förhållanden som eventuellt kan reproducera en fasövergång i tidiga Universum, omvandlingen av s.k. kvark-gluonplasma till hadroner.