Mikrofysikkens begreper

Kvantemekanikken

En grunnleggende teori i mikrofysikken er kvantemekanikken, som er tilstrekkelig til å beskrive de fleste fenomener innenfor atomfysikk og store deler av kjernefysikk. Forutsetningen er at alle relevante energier og energitettheter er relativt små, slik at antallet partikler innenfor systemet som studeres ikke forandrer seg. Ved store tett heter kan imidlertid energi omdannes til partikkel-antipartikkel-par. Slike forhold må beskrives ved hjelp av kvantefeltteo rier.

Kvantemekanikken danner grunnlaget for atomfysikk og kvantekjemi, kort sagt hele mikrofysikken. I de siste årene har også grensen mot det makroskopiske utvidet seg. Utvikling av nye laserteknikker gjør det nå mulig å gjennomføre i praksis mange av de tankeeksperimenter som pionerene Bohr og Einstein diskuterte i årevis. Av nye resultater må i første rekke nevnes påvisning av Bose-Einstein kondensater, dvs. store systemer av atomer som alle oppfører seg som et enkelt atom. Videre har man fått en dypere forståelse av kvantemekanisk `entanglement', dvs. en sammenfiltring av isolerte partiklers tilstand. Det er meget mulig at de nærmeste årene vil bringe en ny oppfat ning av den tilsynelatende uforståelige kvanteverden som følge av denne nye forskningen. Mange arbeider sågar med kvanteinformatikk og forsøker allerede nå å anvende kvantemekaniske fenomener på en radikalt ny måte.

Standardmodellen

I studiet av mikrokosmos neglisjerer vi gravitasjonskraften, som ellers er vesentlig i kosmologisk sammenheng. Ifølge den rådende Standardmodellen regner vi bare med to slags krefter, den elektrosvake kraften og den sterke kraften, som nå gjerne kalles fargekraften.

De fundamentale partiklene er kvarker og leptoner, som er objekter med dimensjoner mindre enn  10^-18 m. De kalles også for massepartikler, selv om de nøytrale leptonene, nøytrinoene, kanskje er masseløse. Kvarkene og leptonene er alle fermioner (har halvtallig spinn), de grupperer seg parvis i dubletter, og innbyrdes i tre familier, eller generasjoner. Vanlige atomer har massepartikler fra den første familien som byggesteiner. Den elektrosvake kraften virker mellom både kvarker og leptoner, mens fargekraften virker bare mellom kvarkene. Det skyldes at kvarkene finnes i tre varianter og har en ekstra frihetsgrad, som kalles `farge'. Bare `fargeløse' kombinasjoner av kvarker og antikvarker kan observeres. Kombinasjoner av kvark og antikvark (meson) og tre kvarker (baryon) kalles hadroner. Vekselvirkninger mellom massepartiklene skjer ved at de utveksler kraftpartikler eller formidlere. Formidlerne for den elek trosvake kraften er fotonet, det velkjente kvantet i det elektromagnetiske felt, og de tre formidlere av svak kraft, Z^o, W⁺, W^-. Mens fotonet er masseløst har de tre siste store masser, omtrent hundre ganger nukleonmassen. De `fargede' kvarkene vekselvirker ved at de utveksler gluoner som også har `farge'. Gluonene antas å være masseløse. Formidlerne, som alle er bosoner (har heltallig spinn), kalles med et fellesnavn for feltpartikler eller i kvantefeltteoretiske beskrivelser gauge- partikler.

Konserveringslover og symmetrier

Vekselvirkninger må tilfredsstille visse bevarings- eller konserveringslover. Slike lover er uttrykk for grunnleggende symme trier eller invarianser i naturen. De velkjente lovene om bevaring av energi og bevegelsesmengde uttrykker at naturen viser symmetri i tid og rom. Det finnes andre størrelser som også er "bevarings verdige", de må derfor tas vare på ved å innebygge symmetriegenskaper i teoriene. Kvantefeltteoriene innebygger relativitets teorien gjennom Lorentz-invarians (tid- rom-symmetri) og CPT-invarians, som betyr symmetri for kombinerte operasjoner med partikkel-antipartikkel-ombytte, pari tets- og tidsomvending. At kvarkene og leptonene grupperer seg som dubletter med like vekselvirkninger er også et uttrykk for symmetri (lokal faseinvarians). Symmetrien i den elektrosvake beskrivelsen tilsier at de to nøytrale formidlerne fotonet og Z0 burde hatt samme masse. Når de ikke har det, blir det antatt at det må eksistere en Higgs-partikkel for å forklare dette bruddet i symmetriforholdet. Noen Higgs-partikkel er til nå ikke funnet. Dette representerer en utfordring. Kvantefeltteorien for fargekraften er matematisk komplisert og kalles kvantekromodynamikk, eller bare QCD (Quantum Chromo Dynamics). Bidragene til fysiske prosesser må summeres opp til høyere orden. Det er først i de aller siste årene at QCD-beregninger er gjennomført med tilstrekkelig grad av nøyaktighet. Etter mange års iherdig eksperimentell innsats er Standardmodellens prediksjoner for en rekke fenomener blitt bekreftet i forbløffende grad. Ingen eksperimentelle resultater representerer i dag noen vesentlig utfordring til Standardmodellen, som derfor synes å tilfredsstille kravene til en god teori: Den har stor evne til å forutsi kvantitative resultater av målinger, og den har hittil ikke latt seg falsifisere.

Et av de første resultatene av LEP-eksperimentene ved CERN var påvisningen av at det finnes bare 3 masseløse nøytrinotyper, og dermed bare 3 familier.

Høyere symmetrier

Mange forhold taler likevel mot at Standardmodellen kan være noen endegyldig teori. En ting er at det er utilfredsstillende at den inneholder mange frie parametre (masser, koblingskonstanter). Den gir ingen forklaring på at det bare er 3 fami lier. En viktig innvending mot Standard modellen er at den ikke inneholder gravitasjonsteorien (som i Einsteins versjon ikke er formulert konsistent med kvantefysikken). Dessuten virker det unaturlig at Z^o og W-bosonene er så "lette", siden den masseskalaen som opptrer i forbindelse med gravitasjon er 17 størrelsesordener høyere (Planck-skalaen). En type teorier som kunne løse noen av disse problemene sammenfattes i beteg nelsen supersymmetri, som forbinder massepartikler og kraftpartikler nærmere med hverandre, og fordobler spektret av nye partikler ved høyere energier (fermion-boson-symmetri) og forutsier helt nye fenomener. Slike teorier kalles Grand Unified Theories eller GUTs. Enda mer omfattende teorier, hvor gravitasjon og supersymmetri forenes, kalles Theories of Everything, TOEs. Noen symmetrier innebærer at verden ved kortere avstander - som tilsvarer høyere energier - er ti- dimensjonal. I forhold til de fire tid-rom- dimensjonene vi er kjent med, er de seks ekstra dimensjonene "krøllet sammen" og derfor usynlige ved de energiskalaer man hittil har kunnet utforske. Forskere ved Fysisk institutt arrangerte i 1997 den 5. internasjonale konferansen i serien Beyond the Standard Model. Konferansen ble holdt ved Kviknes Hotell, Balholm, i tiden 29.4 - 4.5, og samlet omtrent 100 deltakere fra 22 land. Arran gementskomitéen besto av Per Osland, Gerald Eigen og Bjarne Stugu.

Miniversjoner av Big Bang

Studiet av den subatomære verden har ført naturviterne på sporet av hva som kan ha skjedd i den helt store kosmiske sammenheng. Om den fysiske verden begynte med Big Bang kan utviklingen av Universet senere beskrives detaljert ved teorier fra partikkelfysikken. Derfor er betegnelsen astropartikkelfysikk blitt vanlig.

I kollisjoner mellom to energirike partikler kan energien omsettes til masse (E=mc²). En slik prosess ved svært høy energi kan minne om en miniversjon av Big Bang, se simuleringsbildet i Seksjon for teoretisk fysikk.

Dette fasediagrammet viser (med stiplede og heltrukne kurver) overganger i tungionekollisjoner fra vanlig kjernematerie til kvark-gluon plasma og tilbake gjennom en blandet fase (grønt belte) til en hadrongass-fase.

Når tunge atomkjerner kolliderer med hastigheter like oppunder lyshastigheten blir tettheten av kjernematerie så høy at protonene og nøytronene "smelter". En antar at en slik "smelte" under ekstreme trykk- og temperaturforhold svarer til et plasma av frie kvarker og gluoner, QGP (Quark Gluon Plasma) som ligner forholdene kort tid, ca. 10^-5 s, etter Big Bang.

CERN, det europeiske laboratoriet for partikkelfysikk, ligger i landlige og vakre omgivelser nær Genève. På fotografiet er partikkelakseleratorene antydet. Den største ringen er 27 km i omkrets og viser LEP, The Large Electron Positron Collider. Vi ser også SPS, Super Proton Synchrotron, som tjener som injektor for LEP og ellers benyttes blant annet til å akselerere tunge ioner.

For å finne svar på noen av de ubesvarte spørsmålene, bl.a. opprinnelsen til partiklenes masse, CP-brudd og supersymme triske partikler, har CERN besluttet å konstruere LHC, The Large Hadron Collider. LHC, som skal bygges i LEP-ringen og planlegges å være ferdig i 2005, vil benytte superledende magnetteknologi og akselerere protoner til TeV-området.