næsten 50 år efter sin forudsigelse har partikelfysikere endelig fanget Higgs boson. Så Nobelkomiteen har tildelt dette års fysikpris til to af teoretikerne, der indledte denne partikeljagt. Franrius Englert fra Det Frie Universitet i Brussels (ULB) og Peter Higgs fra University of Edinburgh, UK, afledte uafhængigt en model, der forklarede, hvorfor partikler ikke er masseløse, og denne model kræver eksistensen af Higgs boson. Begge papirer blev offentliggjort i 1964 i fysiske Gennemgangsbreve.Higgs boson er det sidste stykke af standardmodellen for partikelfysik, der skal observeres efter årtiers søgning. I juni 2012 meddelte CERN med stor fanfare, at Large Hadron Collider (LHC) i Geneve havde opdaget en partikel med de rigtige egenskaber til at være Higgs boson, hvilket betød, at forskere havde bekræftet en grundlæggende teori om masse.Higgs boson giver ikke teknisk andre partikler masse. Mere præcist er partiklen en kvantiseret manifestation af et felt (Higgs-feltet), der genererer masse gennem dets interaktion med andre partikler. Men hvorfor kunne ikke masse bare antages som en given?

svaret går tilbage til tidligere arbejde i kvantefeltteori. Kvantefelter ligner mere velkendte felter, som elektriske og magnetiske felter. Men kvantefelter indeholder ophidsede tilstande, som vi observerer som partikler. Disse felter kan opdeles i stoffelter (hvis partikler er elektroner, kvarker osv.) og kraftfelter (hvis partikler er fotoner, gluoner osv.). I slutningen af 1940 ‘ erne viste teoretikere, at en kvantefeltteori om fotoner og elektroner med succes kunne forklare elektromagnetiske interaktioner ved høj energi.

teorien havde imidlertid problemer med at modellere nukleare interaktioner. Den korte rækkevidde af den svage atomkraft indebar, at dens tilsvarende partikler havde masse, i modsætning til den masseløse foton, partiklen forbundet med elektromagnetiske felter. Blot at stikke en masse på en kraftbærende partikel havde katastrofale virkninger, hvilket fik visse forudsigelser til at afvige til uendelig. I begyndelsen af 1960 ‘ erne var teoretikere travlt med at lede efter alternative måder, hvorpå masse kunne introduceres i teorien.løsningen formuleret af Higgs, Englert og Robert Brout (som arbejdede med Englert på ULB, men nu er død) foreslår, at hele rummet er fyldt med et felt, der interagerer med de svage kraftpartikler for at give dem masse. Det gør det, fordi feltet antages ikke at være nul i tomt rum. Denne ikke-nul jordtilstand krænker en symmetri, der betragtes som grundlæggende for kvantefeltteori. Tidligere arbejde havde vist, at denne form for symmetribrud førte til en masseløs, spinløs partikel, der blev udelukket af eksperimenter . Englert, Brout og Higgs viste, hvordan man kunne få denne uønskede partikel til at forsvinde ved at koble rumfyldningsfeltet til det svage kraftfelt. Da de udarbejdede alle interaktionerne, fandt de, at kraftpartiklerne effektivt havde en masse, og den uønskede, masseløse, spinløse partikel blev i det væsentlige absorberet af de svage partikler. Disse partikler fik en tredje spin-tilstand som et resultat, og den eneste tilbageværende spinløse partikel var den massive Higgs boson. En lignende teori blev udviklet af et tredje team af teoretikere i samme år .

efterfølgende arbejde viste, at Brout-Englert-Higgs-mekanismen (eller “Higgs-mekanismen” for kort) kunne give masse ikke kun til svage partikler, men også til elektroner, kvarker og andre grundlæggende partikler. Jo stærkere en partikel interagerer med Higgs-feltet, jo mere massiv er den. Det er dog vigtigt at bemærke, at det meste af massen i sammensatte partikler, som protoner, kerner og atomer, ikke kommer fra Higgs-mekanismen, men fra den bindende energi, der holder disse partikler sammen.”Brout og Englert og Higgs fremsatte en meget smart ide, nu kendt som Higgs-mekanismen,” siger Michael Turner fra University of Chicago. “Det giver en forklaring på et af de enkleste spørgsmål, man kan stille: hvorfor har partikler masse? Et så simpelt spørgsmål—men meget dybtgående-at mange ikke engang tænker at stille det.”For at validere denne mekanisme konstruerede partikelfysikere LHC, den største og mest teknologisk sofistikerede maskine, der nogensinde er bygget, siger Joseph Incandela, talsmand for CMS-eksperimentet, som var en af detektorerne, der opdagede Higgs boson. “Jeg tror, folk ser på dette og føler, at partikelfysik har trukket noget som en månelanding her,” siger han.

–Michael Schirber

Michael Schirber er en tilsvarende redaktør for Fysik baseret i Lyon, Frankrig.

1. J. Goldstone, “Feltteorier med Superlederløsninger”, Nuovo Cimento 19, 154 (1961); J. Goldstone, A. Salamog S. Veinberg,” Broken Symmetries”, Phys. Rev. 127, 965 (1962)
2. G. S. Guralnik, C. R. Hagen og T. V. B. Kibble, “globale Bevaringslove og masseløse partikler”, Phys. Pastor Lett. 13, 585 (1964)

mere Information

• Nobelprismeddelelse med ledsagende baggrund

  Fokushistorie om 2008 Nobelprisen for teori om symmetribrud

  kort historie om Higgs-mekanismen, fra University of Edinburgh