Redaktørens note: Den 8. oktober 2013 vandt Peter Higgs og Francois Englert Nobelprisen i fysik for deres arbejde på Higgs boson. Nedenfor forklarer vores videnskabskolumnist Brian Greene videnskaben bag opdagelsen.
Fra denne historie
[×] LUKKET
ATLAS-detektoren, en af to eksperimenter til at få øje på den undvigende Higgs-boson i partikelnedbrud ved CERNs Large Hadron Collider, vejer op til hundrede 747 jetfly og huser mere end 1.800 miles med kabel. (Claudia Marcelloni / CERN) 
Den kompakte Muon-solenoid ved Large Hadron Collider fanger partikler i handlingen. (Michael Hoch / CERN) 
Tilbage til tegnebrættet: Fysiker Peter Higgs skraber sin berømte ligning og beskriver kilden til en partikelmasse. Det skulle tage et halvt århundrede at bevise sandhed. (Stuart Wallace / Splash News / Newscom) 
Holdet arbejder med ATLAS-detektoren, en af to eksperimenter for at få øje på den undvigende Higgs-boson i partikeludbrud. (Claudia Marcelloni / CERN) 
Før installationen boede dele af CMS-detektoren i et rengøringsrum ved CERN. (Maximilien Brice, Michael Hoch, Joseph Gobin / CERN) 
Magneten i CMS-detektoren producerer et magnetfelt 100.000 gange så stærkt som Jordens. (Gobin / CERN) 
Et nærbillede af CMS-detektoren - en af to eksperimenter til at detektere underskrifter af Higgs boson. (Gobin / CERN) 
Selvom Higgs-bosonen ser ud for for kort til at blive opdaget direkte, kan fysikere ved CMS udlede sin eksistens ved at studere bruserne af partikler, der er efterladt efter proton-proton-kollisioner. (T. McCauley, L. Taylor / CERN) 
Fotogalleri
Relateret indhold
- Kunst og videnskab kolliderer i opdagelsen af Higgs Boson
En berømt historie i fysikens annaler fortæller om en 5-årige Albert Einstein, der var syg i sengen, modtog et legetøjskompas fra sin far. Drengen blev både forundret og fascineret af de usynlige kræfter, der arbejdede, og omdirigerede kompasnålen til at pege nord, hver gang dens hvileposition blev forstyrret. Denne oplevelse, sagde Einstein senere, overbeviste ham om, at der var en dybt skjult orden i naturen og tvang ham til at bruge sit liv på at afsløre den.
Selvom historien er mere end et århundrede gammel, stødte den unge Einstein, der klynger sig, med et nøgletema inden for moderne fysik, et, der er vigtigt for den vigtigste eksperimentelle præstation inden for de sidste 50 år: opdagelsen for et år siden i juli, af Higgs boson.
Lad mig forklare.
Videnskab generelt og fysik i særdeleshed søger mønstre. Stræk en fjeder dobbelt så langt og føl dobbelt modstanden. Et mønster. Forøg volumen, som et objekt optager, mens dens masse er fast, og jo højere det flyder i vand. Et mønster. Ved nøje at observere mønstre afslører forskere fysiske love, der kan udtrykkes på sproget i matematiske ligninger.
Et tydeligt mønster er også tydeligt i tilfælde af et kompas: Flyt det, og nålen peger mod nord igen. Jeg kan forestille mig en ung Einstein, der tænker, at der skal være en generel lov, der bestemmer, at ophængte metalliske nåle skubbes mod nord. Men der findes ingen sådan lov. Når der er et magnetfelt i et område, oplever visse metalgenstande en kraft, der justerer dem langs feltets retning, uanset hvilken retning der sker. Og jordens magnetiske felt sker tilfældigvis nord.
Eksemplet er enkelt, men lektionen dybtgående. Naturens mønstre afspejler undertiden to sammenflettede træk: grundlæggende fysiske love og miljøpåvirkninger. Det er naturens version af natur versus pleje. I tilfælde af et kompass er det ikke vanskeligt at adskille de to. Ved at manipulere den med en magnet konkluderer du let, at magnetens retning bestemmer nålens retning. Men der kan være andre situationer, hvor miljøpåvirkninger er så gennemgribende, og så ud over vores evne til at manipulere, ville det være langt mere udfordrende at genkende deres indflydelse.
Fysikere fortæller en lignelse om fisk, der undersøger fysiklovene, men så beboet til deres vandige verden, undlader de at overveje dens indflydelse. Fiskene kæmper mægtigt for at forklare planternes blide svingning såvel som deres egen bevægelse. De love, de i sidste ende finder, er komplekse og uhåndterlige. Derefter har en strålende fisk et gennembrud. Måske afspejler kompleksiteten enkle grundlæggende love, der handler ud i et komplekst miljø - en, der er fyldt med en tyktflydende, ukomprimerbar og gennemgribende væske: havet. Først ignoreres den indsigtsfulde fisk, endda latterliggøres. Men langsomt er de andre også klar over, at deres miljø, selv om det er fortroligt, har en betydelig indflydelse på alt, hvad de observerer.
Klipper lignelsen tættere på hjemmet, end vi måske havde troet? Måske er der andre, subtile, men alligevel gennemgribende træk i miljøet, som vi hidtil ikke har foldet korrekt ind i vores forståelse? Opdagelsen af Higgs-partiklen af Large Hadron Collider i Genève har overbevist fysikere om, at svaret er et rungende ja.
For næsten et halvt århundrede siden forsøgte Peter Higgs og en håndfuld andre fysikere at forstå oprindelsen af et grundlæggende fysisk træk: masse. Du kan tænke på masse som et objekts heft eller, lidt mere præcist, som modstanden det tilbyder for at ændre dens bevægelse. Tryk på et godstog (eller en fjer) for at øge dens hastighed, og den modstand du føler afspejler dens masse. På et mikroskopisk niveau kommer godstogets masse fra dets bestanddele molekyler og atomer, som i sig selv er bygget af grundlæggende partikler, elektroner og kvarker. Men hvor kommer masserne af disse og andre grundlæggende partikler fra?
Da fysikere i 1960'erne modellerede opførslen af disse partikler ved hjælp af ligninger forankret i kvantefysik, stødte de på et puslespil. Hvis de forestillede sig, at partiklerne alle var masseløse, klikkede hvert udtryk i ligningerne ind i et perfekt symmetrisk mønster, ligesom tipene til en perfekt snefnug. Og denne symmetri var ikke kun matematisk elegant. Det forklarede mønstre tydelige i de eksperimentelle data. Men - og her er puslespillet - vidste fysikere, at partiklerne havde masse, og da de ændrede ligningerne for at tage højde for dette, blev den matematiske harmoni forkælet. Ligningerne blev komplekse og uhåndterlige og, værre, stadig inkonsekvente.
Hvad skal man gøre? Her er ideen fremsat af Higgs. Skub ikke partiklenes masser ned i halsen på de smukke ligninger. Hold i stedet ligningerne uberørte og symmetriske, men betragt dem, der fungerer inden for et ejendommeligt miljø. Forestil dig, at alt rummet er ensartet fyldt med et usynligt stof - nu kaldet Higgs-feltet - der udøver en trækkraft på partikler, når de accelererer gennem det. Tryk på en grundlæggende partikel i et forsøg på at øge dens hastighed, og ifølge Higgs ville du føle denne trækstyrke som en modstand. Med rette kan du fortolke modstanden som partiklens masse. For en mental tåhold, skal du tænke på en ping-pong-kugle nedsænket i vand. Når du skubber på ping-pong-kuglen, vil den føles meget mere massiv end den gør uden for vandet. Dets interaktion med det vandige miljø har den virkning at give det masse. Så med partikler nedsænket i Higgs-feltet.
I 1964 forelagde Higgs et papir til et fremtrædende fysisk tidsskrift, hvor han formulerede denne idé matematisk. Papiret blev afvist. Ikke fordi det indeholdt en teknisk fejl, men fordi antagelsen om et usynligt noget, der gennemsyrer rum, interagerer med partikler for at tilvejebringe deres masse, ja, det hele virkede bare som en bunke med overforarbejdet spekulation. Tidsskriftets redaktører mente, at det "ikke havde nogen åbenlys relevans for fysik."
Men Higgs vedvarede (og hans reviderede artikel optrådte senere samme år i en anden tidsskrift), og fysikere, der tog sig tid til at studere forslaget, indså efterhånden, at hans idé var et genialt slag, en, der gjorde det muligt for dem at have deres kage og spise den også . I Higgs 'skema kan de grundlæggende ligninger bevare deres uberørte form, fordi det beskidte arbejde med at tilvejebringe partiklernes masser er henvist til miljøet.
Mens jeg ikke var ved for at være vidne til den oprindelige afvisning af Higgs 'forslag i 1964 (ja, jeg var i nærheden, men kun næppe), kan jeg vidne om, at vurderingen var ændret i midten af 1980'erne. Fysikfællesskabet havde for det meste fuldt ud købt ind i tanken om, at der var et Higgs-felt, der gennemsyrede plads. Faktisk tog jeg et kandidatkursus, der dækkede det, der er kendt som standardmodellen for partikelfysik (de kvante ligninger, som fysikere har samlet sig for at beskrive stoffets partikler og de dominerende kræfter, som de påvirker hinanden), præsenterede professoren Higgs felt med en sådan sikkerhed, at jeg i lang tid ikke havde nogen idé om, at det endnu ikke skulle etableres eksperimentelt. Lejlighedsvis sker det i fysik. Matematiske ligninger kan undertiden fortælle en sådan overbevisende fortælling, de kan tilsyneladende udstråle virkeligheden så stærkt, at de bliver forankret i det virkelige fysiske fysik, selv før der findes data til at bekræfte dem.
Men det er kun med data, at et link til virkeligheden kan smedes. Hvordan kan vi teste for Higgs-feltet? Det er her den store Hadron Collider (LHC) kommer ind. LHC er en næsten 17 mil lang cirkulær tunnel, der fungerer som et løbebane for at krydse den franske grænse og tilbage igen. smadrer sammen partikler af stof. LHC er omgivet af omkring 9.000 superledende magneter og er hjemsted for strømmehorder af protoner, der cykler rundt i tunnelen i begge retninger, som magneterne accelererer til bare genert for lysets hastighed. Ved sådanne hastigheder pisker protonerne rundt i tunnelen ca. 11.000 gange hvert sekund, og når de styres af magneterne, deltager de i millioner af kollisioner med et øjeblik. Kollisionerne producerer på sin side fyrværkeri-lignende spray af partikler, som mammutdetektorer fanger og registrerer.
En af hovedmotivationerne for LHC, der kostede i størrelsesordenen 10 milliarder dollars og involverer tusinder af videnskabsfolk fra snesevis af lande, var at søge efter beviser for Higgs-feltet. Regnestykket viste, at hvis ideen er rigtig, hvis vi virkelig er nedsænket i et hav af Higgs-marken, så skulle de voldsomme partikelkollisioner være i stand til at vride marken, ligesom to sammenstødende ubåde ville virke vandet omkring dem. Og som så ofte skulle jiggling være lige ret til at slå en mark af marken - en lille dråbe af Higgs-havet - der ville fremstå som den længe efterspurgte Higgs-partikel.
Beregningerne viste også, at Higgs-partiklen ville være ustabil og opløses i andre partikler i en minuscule fraktion på et sekund. Inden i malstrømmen af kolliderende partikler og bølgende skyer af partikelformigt affald, ville forskere bevæbnede med magtfulde computere søge efter Higgs 'fingeraftryk - et mønster af henfaldsprodukter dikteret af ligningerne.
I de tidlige morgentimer den 4. juli 2012 samlet jeg mig med ca. 20 andre stalts i et konferencelokale i Aspen Center for Physics for at se live stream af en pressekonference på Large Hadron Collider-faciliteterne i Genève. Cirka seks måneder tidligere havde to uafhængige hold af forskere, der var ansvarlig for at indsamle og analysere LHC-data, annonceret en stærk indikation af, at Higgs-partiklen var fundet. Rygtet, der nu fløj rundt om fysikfællesskabet, var, at holdene endelig havde tilstrækkelige beviser til at spille en endelig påstand. Sammen med det faktum, at Peter Higgs selv var blevet bedt om at tage turen til Genève, var der rigelig motivation til at holde sig oppe klokka 3 for at høre meddelelsen live.
Og da verden kom til hurtigt at lære, var beviset for, at Higgs-partiklen var blevet opdaget, stærk nok til at krydse opdagelsesgrænsen. Med Higgs-partiklen nu officielt fundet, brød publikum i Genève ud i vild applaus, ligesom vores lille gruppe i Aspen gjorde, og uden tvivl snesevis af snesevis af lignende sammenkomster over hele kloden. Peter Higgs tørrede en tåre væk.
Med et års bagspejling og yderligere data, der kun har tjent til at gøre sagen for Higgs stærkere, er det her, hvordan jeg opsummerer opdagelsens vigtigste implikationer.
For det første har vi længe vidst, at der er usynlige indbyggere i rummet. Radio- og tv-bølger. Jordens magnetfelt. Tyngdefelt. Men ingen af disse er permanente. Ingen er uforanderlige. Ingen er ensartet til stede i hele universet. I denne henseende er Higgs-feltet grundlæggende anderledes. Vi tror, dets værdi er den samme på Jorden som i nærheden af Saturn, i Orion-tåerne, i hele Andromedagalaksen og overalt ellers. Så vidt vi kan sige, er Higgs-feltet uudsletteligt påtrykt det rumlige stof.
For det andet repræsenterer Higgs-partiklen en ny form for stof, som man havde været meget forventet i årtier men aldrig var blevet set. Tidligt i det 20. århundrede indså fysikere, at partikler ud over deres masse og elektriske ladning har et tredje definerende træk: deres spin. Men i modsætning til et barns top, er en partikels spin en iboende træk, der ikke ændrer sig; det fremskynder eller bremser ikke med tiden. Elektroner og kvarker har alle den samme omdrejningsværdi, mens omdrejningen af fotoner - partikler af lys - er dobbelt så stor som elektroner og kvarker. Ligningerne, der beskriver Higgs-partiklen, viste, at den - i modsætning til andre grundlæggende partikelarter - slet ikke skulle have nogen spin. Data fra Large Hadron Collider har nu bekræftet dette.
At etablere eksistensen af en ny form for stof er en sjælden præstation, men resultatet har resonans på et andet felt: kosmologi, den videnskabelige undersøgelse af, hvordan hele universet begyndte og udviklede sig til den form, vi nu er vidne til. I mange år blev kosmologer, der studerede Big Bang-teorien, stymmet. De havde samlet en robust beskrivelse af, hvordan universet udviklede sig fra et split sekund efter starten, men de var ikke i stand til at give nogen indsigt i, hvad der drev plads til at begynde at udvide i første omgang. Hvilken kraft kunne have udøvet et så kraftigt udadgående skub? For al dens succes udeladte Big Bang-teorien pesten.
I 1980'erne blev der opdaget en mulig løsning, der ringer en høj Higgsian-klokke. Hvis et område i rummet er ensartet forfulgt af et felt, hvis partikelbestanddele er spinfri, afslører Einsteins tyngdekraft (den generelle relativitetsteori), at der kan frembringes en kraftig frastødende kraft - et smell og en stor ved det. Beregninger viste, at det var vanskeligt at realisere denne idé med selve Higgs-feltet; den dobbelte pligt ved at tilvejebringe partikelmasser og brændstof på smellet viser en væsentlig byrde. Men indsigtsfulde videnskabsmænd indså, at de ved at placere et andet “Higgs-lignende” felt (besidder den samme forsvindende spin, men forskellige masse og interaktioner), de kunne fordele byrden - det ene felt for masse og det andet for det frastødende skub - og tilbyde en overbevisende forklaring på smellet. På grund af dette har teoretiske fysikere i mere end 30 år undersøgt kraftigt kosmologiske teorier, hvor sådanne Higgs-lignende felter spiller en væsentlig rolle. Der er skrevet tusinder af tidsskriftsartikler for at udvikle disse ideer, og milliarder af dollars er blevet brugt på dybe rumobservationer til at søge - og finde - indirekte bevis på, at disse teorier nøjagtigt beskriver vores univers. LHC's bekræftelse af, at mindst et sådant felt faktisk eksisterer, lægger således en generation af kosmologisk teori på et langt fastere fundament.
Endelig, og måske mest vigtigt, er opdagelsen af Higgs-partiklen en forbløffende triumf for matematikens magt til at afsløre universets funktionsmåder. Det er en historie, der er blevet sammensat i fysikken adskillige gange, men hvert nyt eksempel begejstrer det samme. Muligheden for sorte huller fremkom af de matematiske analyser af den tyske fysiker Karl Schwarzchild; efterfølgende observationer beviste, at sorte huller er reelle. Big Bang-kosmologi kom frem fra de matematiske analyser af Alexander Friedmann og også Georges Lemaître; efterfølgende observationer beviste også denne indsigt korrekt. Begrebet antistof fremkom først fra de matematiske analyser af kvantefysikeren Paul Dirac; efterfølgende eksperimenter viste, at også denne idé er rigtig. Disse eksempler giver en fornemmelse af, hvad den store matematiske fysiker Eugene Wigner mente, da han talte om den ”urimelige effektivitet af matematik til at beskrive det fysiske univers.” Higgs-feltet fremkom i matematiske undersøgelser, der søgte en mekanisme til at give partikler masse. Og endnu en gang er matematikken kommet igennem med flyvende farver.
Som selv en teoretisk fysiker dedikerede en af mange til at finde det, som Einstein kaldte ”den samlede teori” - de dybt skjulte forbindelser mellem alle naturens kræfter og stof, som Einstein drømte om, længe efter at være blevet hængt fast på fysik af kompassets mystiske arbejde —Opdagelsen af Higgs er især glædeligt. Vores arbejde er drevet af matematik og har indtil videre ikke taget kontakt med eksperimentelle data. Vi venter ivrig på 2015, når en opgraderet og alligevel kraftigere LHC tændes igen, da der er en kæmpe chance for, at de nye data vil give bevis for, at vores teorier går i den rigtige retning. Større milepæle ville omfatte opdagelsen af en klasse hidtil usete partikler (kaldet “supersymmetriske” partikler), som vores ligninger forudsiger, eller antydninger til den vilde mulighed for rumlige dimensioner ud over de tre, vi alle oplever. Mere spændende ville stadig være opdagelsen af noget helt uventet og sende os alle sammen og ryste tilbage til vores tavler.
Mange af os har forsøgt at skalere disse matematiske bjerge i 30 år, nogle endnu længere. Til tider har vi følt, at den samlede teori var lige uden for vores fingerspidser, mens vi andre gange virkelig famler i mørket. Det er et stort løft for vores generation at være vidne til bekræftelsen af Higgs, at være vidne til fire årtier gammel matematisk indsigt realiseret som pops og revner i LHC detektorerne. Det minder os om at tage Nobelprisvinderen Steven Weinbergs ord til hjertet: ”Vores fejl er ikke, at vi tager vores teorier for alvorligt, men vi tager dem ikke alvorligt nok. Det er altid svært at indse, at disse tal og ligninger, vi leger med på vores skriveborde, har noget at gøre med den virkelige verden. ”Nogle gange har disse tal og ligninger en uhyggelig, næsten uhyggelig evne til at belyse ellers mørke hjørner af virkeligheden. Når de gør det, kommer vi så meget tættere på at gribe vores plads i kosmos.
