Hva er vitsen med partikkelfysikk?

Bjarne Stugu

I nesten pompøse vendinger kan en iblant høre at partikkelfysikerne forsøker å finne en teori for "alt", og at betydelige fremskritt er gjort i så måte de seneste tiår. Ja, det påstås endog at en kan beskrive universets aller tidligste fase. Det siktes mot den såkalte Standardmodellen for elementærpartiklene og deres vekselvirkninger. Dersom denne er så uovertruffen kan det virke paradoksalt at teorien er komplett ubrukelig for å beskrive praktisk talt ethvert fenomen som opptrer i vårt daglige liv. I denne artikkelen skal vi med en historisk gjennomgang belyse tankegangen og motivasjonen for studiene av disse fundamentale fenomener, og med eksempler vise hvordan nye erkjennelser har hatt utilsiktede, men helt avgjørende konsekvenser for det samfunn vi lever i dag.

Bilde (500kB): Standardmodellen: Er dette alt?

Det er en forslitt, men likevel fullt ut gyldig sannhet at mennesket alltid har undret seg over fenomener i naturen. Dagens forståelse bygger i stor grad på at en begynte å etterprøve hypotesene eksperimentelt. Målet var å få en så rasjonell beskrivelse som mulig, og de feirede Newtons lover sammen med hans gravitasjonsteori er kroneksempelet på hvilken slagkraft en god fysikkteori kan ha. Newtons lover benyttes til alt fra mekaniske styrkeberegninger til beregning av rakett- og satellittbaner. I løpet av 1800 tallet ble det forsket mye innen elektriske og magnetiske fenomener, og dette førte til Maxwells teori som forteller oss at dette er to sider av samme sak - elektromagnetisme. Nå er det vel godt kjent at lite ville fungere i vårt samfunn uten elektrisitet - som altså på ingen måte ble forstått for å løse noe praktisk problem. Omvendt: Dersom en med utgangspunkt i vannmølla ville forbedre utnyttelsen av fossekraft, så er det vel helt utenkelig at en ville kommet på å studere hvorfor håret reiser seg på hodet når man trekker en kam gjennom det.

På slutten av 1800-tallet mente mange at Newtons mekanikk og Maxwells elektromagnetisme sammen med termodynamikken var et nokså fullstendig verktøy for å beskrive de fenomener fysikerne var opptatt av ("de døde ting" for å sitere vår rektor i en tale ved Fysisk institutts 50års jubileum). Men så oppdaget man radioaktivitet og begynte også trenge dypere inn i materien for å finne de fundamentale byggeblokkene, hvis det fantes slike. Som kjent argumenterte Demokrit for mer enn 2000 år siden for at det fantes et sett minste byggestener, atomer. (Argumentet kan en finne i Gaarders "Sofies verden").

Partikler fra radioaktive kilder var ypperlige prosjektiler som kunne brukes til å studere mikrokosmos, og Rutherford viste at materien er bygd opp av bl.a. tunge kjerner som ligger langt fra hverandre. Disse og andre eksperimenter rundt århundreskiftet og avdekket etterhvert en rekke fenomener som ikke lot seg beskrive av den kjente, klassiske fysikk, og ved hjelp av unge og uortodokse fysikere vokste kvantemekanikken frem i løpet av 1920-årene. Denne teorien er radikalt forskjellig fra klassisk fysikk, men later til å gi en korrekt beskrivelse av verden på atomnivå, selv om mange mener at den er ufullstendig. Noe tidligere formulerte Einstein sine to relativitetsteorier som kommer til anvendelse for henholdsvis høye hastigheter og høye massetettheter.

Kvantemekanikk og relativitetsteori danner grunnlaget for moderne faststoffysikk, atomær- og subatomær fysikk. De praktiske konsekvensene av nyvunnet innsikt på disse områdene har igjen vært like spektakulære som uventede. Dessverre er den mest spektakulære delen en bombe. Mer konstruktive anvendelser av kjernefysikk finner en i kjernekraftverkene og innen nukleærmedisin. De som på grunnlag av kvantemekanikk og statistisk fysikk begynte å få en forståelse av mekanismene for ledningsevne i blant annet silisium, hadde neppe noen forestilling om alle anvendelsene mikrochipteknologiene har i dag (PC, mobiltelefon, kalkulator osv).

Utviklingen av Standardmodellen for elementærpartikkelfysikk kommer også som følge av uforklarlige fenomener observert i mikrokosmos. Den bryter imidlertid ikke med kvantemekanikkens postulater. En kan si at startsskuddet gikk allerede da Dirac skrev ned sin ligning som gav en beskrivelse av elektroner som var forenlig med både kvantemekanikk og relativitetsteori. Samtidig forutsa ligningen eksistensen av antimaterie. Videre ble en kvanteteori for det elektromagnetiske felt utviklet på grunnlag at lys ikke nødvendigvis var et bølgefenomen, men også kunne ses på som en strøm partikler, kalt fotoner. Resultatet ble kvante-elektrodynamikk (Engelsk forkortelse: QED), som i sine prediksjoner gir ørsmå korreksjoner bølgelengdene i atomære emisjonsspektra. Detaljerte eksperimenter har verifisert disse korreksjonene med meget stor presisjon.

Fra CERN ble etablert kort etter krigen og frem til begynnelsen av 1970-årene gikk mye av partikkelfysikken ut på å klassifisere en hel zoologisk hage av elementærpartikler som ble skapt i kollisjoner ved akseleratoranlegg som CERN. Etter hvert fant en at en modell som klassifiserte de såkalt elementære partiklene som sammensatt av mindre bestanddeler (kalt kvarker av fantasifulle årsaker). En beskriver nå protonet som sammensatt av tre kvarker. Dette er i kontrast til det velkjente elektronet, som en regner er like fundamental som kvarkene, og er det letteste av de ladde leptonene. Dessuten ble det suksessrike konseptet om kvantiserte felter utvidet til å omfatte svake og sterke kjernekrefter. Resultatet ble en forening av elektromagnetisme og de svake kjernekrefter i en teori, i analogi med Maxwells forening av elektrisitet og magnetisme. Det er denne teorien som kalles Standardmodellen. Videre er det etablert en egen teori for de sterke vekselvirkninger, Kvantekromodynamikk (QCD). Denne fungerer også på kvarknivå, og sammen med Standardmodellen har man således en koherent beskrivelse av alle vekselvirkningene til kvarker og leptoner, når vi ser bort fra gravitasjon.

En utvetydig prediksjon i Standardmodellen var eksistensen av W og Z bosonene. Disse ble funnet ved CERN tidlig på 1980 tallet. Siden har den 27 km lange LEP akseleratoren gitt oss masse data som har vært benyttet til teste Standardmodellen og QCD med stadig økende presisjon. Teoriene har bestått alle tester den har vært utsatt for til nå! Videre: vi mener nå at verden består av tre generasjoner kvarker og leptoner. Mens en før vel ville si at det fins minst tre generasjoner, kan en på grunnlag av LEP data med stor tyngde si at det fins tre og bare tre generasjoner.

Selv om Standardmodellen nå hviler på solid eksperimentell basis, er det mange fundamentale spørsmål som står ubesvart, for eksempel:

Hva er mekanismen som ligger til grunn for at partiklene har masse, og hvorfor er massene til partiklene så forskjellige?

Hvorfor er ladningen til elektronet lik den til protonet (i absoluttverdi)?

Kan gravitasjonskreftene beskrives i en kvantefelt-teori på samme måte som de andre kreftene i naturen?

Kan alle de fundamentale vekselvirkninger beskrives som én teori?

Hvorfor finnes det praktisk talt ikke antimaterie i universet?

Å få fullgode svar til samtlige av disse spørsmål ligger nok svært langt frem i tid, hvis de overhode vil finnes. Det gjøres imidlertid nå eksperimenter i USA og Japan som vil være med å belyse antimateriespørsmålet. Gjennom eksperimenter planlagt for CERNs nye akselleratoranlegg, LHC, regner vi med å få betydelig innsikt i noen av de andre problemene, spesielt "masseproblemet" hvor Standardmodellens mekanisme for generering av masse, Higgsmekanismen, sannsynligvis blir bekreftet dersom den er riktig. Hvis ingen bekreftelse finnes, så må det være noe fundamentalt galt med denne delen av modellen. De siste tiårs data gir imidlertid føringer som gjør at enhver ny teori må inneholde Standardmodellen som et grensetilfelle, akkurat slik klassisk mekanikk, gravitasjon og elektromagnetisme oppstår som grensetilfeller for kvantemekanikk og relativitetsteori.

Jeg har i denne artikkelen forsøkt å forklare at moderne partikkelfysikk er en logisk oppfølging av flere hundre års fysikkforskning. Trass sin naturfilosofiske motivasjon har innsiktene vunnet gjennom denne forskingen gitt oss en stor del av grunnlaget for teknologiene som er utviklet for å skape vårt moderne samfunn. Ingen vet om det kommer noen anvendelser som direkte benytter seg av den nye partikkelfysiske innsikten, men tidskonstantene fra etablering av teori til anvendelse er ofte svært lang. Imidlertid kan man lage en lang liste over anvendelser av de teknologier som er utviklet for å få etablert moderne akseleratoranlegg og eksperimenter. Her trekkes ofte ”The World Wide Web” frem, idet konseptet ble utviklet på CERN for å bedre kommunikasjonen i det internasjonale forskningsmiljøet.

Personlig velger jeg å se på partikkelfysikken som en kulturaktivitet med stor verdi i seg selv. I tillegg viser historien at slik aktivitet har gitt gedigne mengder av praktiske anvendelser, og jeg synes det er vel verdt at Norge betaler CERN en medlemskontingent som ligger godt under budsjettet til to fotball-lag av Branns størrelse, og at de norske forskerne bruker et beløp tilsvarende omtrent tiendedel av dette for å utnytte anlegget.