Parahlaup Higgs – eindanna getur opinberað uppruna alls massa. 

Í öllum krókum og kimum alheims vinna Higgs – eindir saman og veita öllum frumeindum massa sinn. Nú hyggjast eðlisfræðingar skapa öreindirnar í pörum til að sýna fram á hvernig þessi liðsheild veitti efni sigur yfir andefni rétt eftir Miklahvell.

BIRT: 19/06/2022

LESTÍMI:

6 mínútur
Share on facebook

Netverk af Higgs – eindum umlykur gjörvallan alheim, allt frá fjarlægustu stjörnuþokum til innstu frumna mannsins.

 

Þrátt fyrir að þær séu hvorki sýnilegar né mælanlegar með beinum hætti er hið svonefnda Higgs – svið stöðugt og alltumlykjandi – annars gæti jörðin endrum og sinnum verið massalaus.

 

Higgs – sviðið hefur allt frá upphafi alheims stöðugt verið virkt og tryggir að allir byggingarsteinar frumeindanna – t.d. kvarkar og rafeindir – hafi massa.

 

En hvernig massasvið þetta virkar hefur valdið eðlisfræðingum heilabrotum allt frá því að Higgs – eindin dúkkaði upp í fyrsta sinn í skynjurum þeirra árið 2012.


Eðlisfræðingar við CERN vilja draga fram leyndarmál Higgs – sviðsins með því að framleiða Higgs – eindir í pörum og rannsaka hvernig þær víxlverka saman.

 

Tilraunin hófst þegar uppfærð útgáfa af hinum stóra Large Hadron Collider, LHC, var tilbúin árið 2021 eftir tveggja ára betrumbætur á skynjurum.

 

Nú hyggjast eðlisfræðingar leysa ráðgátuna um hvers vegna allt hefur massa. Jafnframt gætu Higgs – eindir opnað glufu inn í hinn hulda heim efnisins.

Hinn 14.000 tonna þungi skynjari Compact Muon Solenoid, CMS, hefur nú verið uppfærður til að geta betur fundið Higgs – eindir í pörum.

Parahlaup heldur Higgs – sviði virku

Þrátt fyrir að enginn hafi ennþá rannsakað eðli Higgs – sviðsins hafa eðlisfræðingar ýmsar hugmyndir um hvernig netverkið virkar, sem grundvallast á eðlisfræðikenningum.

 

Higgs – sviðið veitir eiginlega öreindum orku og samkvæmt víðfrægri jöfnu Einsteins, E = mc2, eru vensl massa og orku náin.

 

Higgs – sviðinu má líkja saman við rafsvið milli jákvæðs og neikvæðs hlaðinna rafskauta en þó með afgerandi mun: rafsvið hverfur þegar spennumunurinn milli rafskautanna jafnast út.

Massasviðið er á hinn bóginn ævinlega virkt í alheimi því Higgs – eindirnar víxlverka stöðugt hver við aðra. Víxlverkun þessi viðheldur hleðslu sviðsins sem veitir grunneindunum massa sinn.


Allir byggingarsteinar grunneindar með massa víxlverka með mismunandi hætti við Higgs – sviðið. Sem dæmi tengjast kvarkar sviðinu með sterkum hætti og eru því þungir. Tenging rafeindar er veikari og eindirnar léttari.

 

Hvernig Higgs – eindirnar halda sviðinu stöðugt virku er hins vegar óljóst, en nú er LHC ætlað að komast til botns á þeirri ráðgátu.

 

Ör hrörnun færir okkur vísbendingu

Að líkindum hefur LHC þegar myndað um þúsund pör af Higgs – eindum, en þetta er svo fátíðir atburðir að þeir drukkna í kliðnum frá ógrynni öreinda sem milljarðir árekstra hafa laðað fram allt frá því að tilraunirnar hófust árið 2010. En ný uppgötvun eykur nú bjartsýni manna.


Þegar eðlisfræðingarnir fundu Higgs – eindina árið 2012 kom hún í ljós vegna sjaldgæfrar hrörnunar tveggja orkuríkra gammaljóseinda.

 

En árið 2019 greindu eðlisfræðingar Higgs – eind sem hafði hrörnað niður í tvo þunga botnkvarka sem einungis geta orðið til við orkuríkan árekstur róteinda, eins og t.d. í LHC. Þessi gerð hrörnunar er talin eiga sér stað í 60% allra þeirra tilvika þar sem LHC myndar staka Higgs – eind.

 

Hið sama mun vera tilfellið þegar að Higgs – eindirnar verða til í pörum. Þess vegna vita eðlisfræðingar nú hverju þeir eiga að leita eftir til að finna Higgs – pör í hinu gríðarlega magni gagna frá tilraununum. Það er þegar fjórir botnkvarkar myndast samtímis.

 


Þetta styrkir menn í voninni um að LHC, á lífstíma sínum fram til ársins 2035, geti afhjúpað þetta dularfulla parahlaup Higgs – eindanna og ákvarðað hvernig það skapar sívirkt, algilt massasvið.

Öreindahraðlar nýttir í leitinni að Higgs – pari.

Þegar róteindirnar (skásett rör á mynd) í öreindahraðlinum Large Hadron Collider skella saman með orku sem nemur 13 billjónum rafeindavolta myndast fræðilega séð Higgs – par fyrir hverjar 2000 stakar Higgs – eindir.

 

Higgs-pörin birtast af fjórum kvörkum (gráar keilur) sem pörin falla oft í.

 

Það hversu fágætur þessi viðburður er hefur gert mönnum ógjörlegt að segja fyrir um paramyndunina með nokkru öryggi. Árið 2016 fann hinn stóri ATLAS – skynjari mögulegt Higgs – par sem veitir eðlisfræðingum hugmynd um hvað það er sem þeir eiga að leita eftir.


Til þess að skerpa leitina verður LHC betrumbættur í tvígang. 
Sjálfur hraðallinn verður endurbættur á árunum 2024 – 2025 þannig að áreksturstíðnin tífaldist upp í tíu milljarða róteindaárekstra á sekúndu, sem mun auka líkurnar á því að framleiða Higgs – pör.

Higgs – par opinberar uppskrift frumsúpunnar

LHC hefur áður getað skapað frumsúpu alheims sem varð til um einni míkrósekúndu eftir sköpunina. En Higgs – pörin geta haldið enn lengra aftur og endurskapað sjálfa myndun frumsúpunnar þar sem Higgs – sviðið myndaðist einum billjónasta hluta úr sekúndu eftir Miklahvell.


Fram að því hefur splunkunýr alheimur samkvæmt kenningunni þanist út hraðar en ljósið í ofurskamman tíma. Þetta er svokölluð óðaþensla. Þessi æðislega þensla var knúin áfram af fræðilegum eindum sem kallast þenslueindir.

 

Þegar Higgs – sviðið myndaðist átti sér stað fasabreyting – eins og þegar gufa kólna niður í fljótandi vatn – og sviðið umbreytti samstundis orku þenslueindanna í massa, í formi kvarka og andkvarka í frumsúpunni.

Takist mönnum að framleiða nægjanlega mörg Higgs – pör og ráða í hvernig öreindirnar vinna saman geta eðlisfræðingar reiknað út orkuþéttnina í upprunalega Higgs – sviðinu og öðlast nýja þekkingu um hversu ofsafengin fasaumbreytingin var.


Ef myndun upprunalega Higgs – sviðsins leysti úr læðingi ofsafengna fasaumbreytingu gæti þetta hafa leitt af sér óstöðugleika sem mögulega geymir skýringuna á því hvers vegna stjörnuþokur alheims samanstanda af efni.


Sigur efnisins yfir andefni hefur verið ráðgáta um langt skeið. Samkvæmt eðlisfræðikenningum mynduðust nákvæmlega jafn margir kvarkar og andkvarkar, en þá gæti þessi aragrúi af stjörnuþokum í alheimi ekki fyrirfundist. Því þegar efni og andefni mætast eyða eindirnar hver annarri og hverfa samstundis.

 

Þess vegna hljóta að hafa orðið til fyrir hvern milljarð andkvarka einn milljarður og einn kvarki. Þeir kvarkar sem lifðu af þetta örlagaríka hamfarastefnumót mynduðu síðan fyrstu frumeindirnar.

Higgs – sviðið skóp efnið strax eftir Miklahvell

Einn milljarðasta hluta úr sekúndu eftir Miklahvell spratt Higgs – sviðið fram og veitti bæði efni og andefni massa. Nú hyggjast eðlisfræðingar endurskapa andartakið þegar sviðið myndaðist til að skilja hvernig andeindir töpuðu orrustunni og allar þekktar stjörnuþokur samanstanda nú af efni.

1. Alheimur vex

Strax eftir að Miklihvellur spratt fram hófst óðaþensla þar sem nýfæddur alheimur þandist út á meira en ljóshraða.

 

Þegar óðaþenslan stöðvaðist einum milljónasta hluta úr sekúndu eftir Miklahvell fór orkan frá útþenslunni í fasabreytingu sem skapaði frumsúpu alheims.

5. Higgs – sviðið kviknar

Fasabreytingin færir Higgs – sviðið til alls alheims sem er á stærð við fótbolta.

 

Sviðið veitir kvörkum og andefni þeirra – andkvörkum – massa samstundis sem mynda frumsúpuna ásamt massalausum orkueindum, límeindum. Þegar kvarkar og andkvarkar mætast eyða þeir hverjir öðrum og hverfa.

3. Efni sigrar andefni

Ef fasabreytingin er kraftmikil skapar hún óstöðugleika sem myndar fleiri kvarka en andkvarka.

 

Límeindir tengja umframmagn kvarka þrjá og þrjá í róteindir og nifteindir sem verða að frumeindum og stjörnuþokum.

 

Víxlverkunin milli para af Higgs – eindum á nú að sýna hvernig fasabreytingin gekk fyrir sig.

Huldar Higgs – eindir að verki

Higgs – eindunum og massasviði þeirra var bætt við viðtekið líkan eðlisfræðinga fyrir nokkrum áratugum til að skýra út hvernig allir byggingarsteinar atóma öðlist massa sinn. Þegar tilraunirnar við LHC gáfu af sér Higgs – eindina þótti viðtekna líkanið fullsannað.

 

En líkanið er götótt og getur t.d. ekki útskýrt hulduefni, en stjarnfræðingar telja að 80% af samanlögðum massa úr stjörnuþokunum sé þetta hulda efni.


Par af Higgs – eindum getur hins vegað opnað glufu á þennan leyndardóm hulduefnisins.

 

Nýjar eðlisfræðikenningar um allt fela í sér að það fyrirfinnist óþekktir tvíburar við Higgs – eind viðtekna líkansins og að einn af þessum tvíburum skapi hulið massasvið sem veitir hulduefninu massa.

 

Ef tvíburar Higgs – eindarinnar finnast munu eðlisfræðingar geta með uppfærðum LHC fundið allt að sex sinnum fleiri Higgs – pör heldur en viðtekna líkanið segir til um.

 

Slíkt frávik myndi vera sterk óbein sönnun tilvistar hulduefnis.

 

Risavaxin öreindahraðall tilbúin upp úr 2040

Takist LHC ekki að framleiða nægjanlega mörg pör af Higgs – eindum er Future Circular Collider tilbúið að taka við verkefninu upp úr 2040. Þessi risavaxni öreindahraðall getur látið róteindir skella saman með sjö sinnum meira afli en LHC og framleitt minnst 40 sinnum fleiri Higgs – pör.


Þar með fá eðlisfræðingar langtum betri möguleika á að leysa ráðgátuna um sigur efnis yfir andefni, tilvist hulduefnis og hvers vegna byggingarsteinar frumeindanna hafa massa – í stjörnuþokum, í sólinni sem og í mönnum.

BIRT: 19/06/2022

HÖFUNDUR: Rolf Haugaard Nielsen

HÖFUNDARÉTTUR MYNDA: © Michael Hoch/Maximilien Brice,© Atlas Experiment/CERN,© Ken Ikeda Madsen,

vinsælustu greinarnar

Lifandi vísindi

Lyf

Lifandi saga

Ertu áskrifandi að tímaritinu?

Áskrifendur að tímaritinu geta fengið frían aðgang að vefnum hér.

Innskráning

Ertu með áskrifandi að blaðinu?

Áskrifendur geta fengið áskrift af vefnum hér

FÁÐU AÐGANG AÐ VÍSINDI.IS

Viltu lesa greinina?

Fáðu aðgang að visindi.is

Ókeypis í 2 vikur!

Eftir það kostar eingöngu 1.390 kr. á mánuði og enginn uppsagnarfrestur.

Innifalið er aðgangur að öllum greinum á vefnum ásamt rafræna útgáfu af nýjustu tölublöðunum.

  • Fullur aðgangur að visindi.is
  • Frábærar myndir og myndbönd
  • Aðgengilegt í öllum snjalltækjum
  • Fullur aðgangur að gríðarlegu magni eldri greina
  • Nýjustu tölublöðin í rafrænu formi

Núverandi áskrifendur að tímaritinu fá að sjálfsögðu ókeypis aðgang að vefnum og þurfa bara að virkja aðgang sinn hér.

Ef þú ert þegar áskrifandi að visindi.is