Ett teoribygge fullt av Nobelpris

1999-12-09 14:46  
Standardmodellen, den gällande teorin för universums uppbyggnad, består av en mängd idéer som under årens lopp fogats samman till ett komplicerat bygge. Många fysiker har dragit sitt strå till stacken, och flera har fått Nobels fysikpris. Årets pristagare har gjort Standardmodellen användbar i dagens forskning.

I grunden för den moderna fysiken finns Maxwells hundrafyrtio år gamla teori om elektromagnetismen, en av universum fyra grundläggande krafter. Sedan dess har den ena biten efter den andra lagts till.

En viktig bit fogas till bygget när kvantmekaniken slår igenom på trettiotalet. Den nya kvantfältteorin innebär att ordningen i universum upprätthålls med hjälp av ett fält. Kraften i det elektromagnetiska fältet förmedlas av en speciell kraftpartikel, fotonen.

Den gamla elektromagnetismen och de nya kvantfälten blandas ihop till en ny, elektromagnetisk teori. Kvantelektrodynamiken, eller QED, ser väldigt bra ut till en början. Den beskriver logiskt hur partikelfysiken hänger ihop. Men när fysikerna börjar räkna och experimentera uppstår problem:

Enligt kvantmekanikens osäkerhetsprincip uppkommer virtuella partiklar ur tomma rymden. Och de försvinner lika snabbt som de kom.

Ju kortare tid de existerar, desto högre energi har de. När molnet av virtuella partiklar skymmer fysikernas experimentpartiklar förvrängs mätresultaten.

Försök görs för att på matematisk väg korrigera bort inverkan av de virtuella partiklarna, vars energi man inte känner. Men resultaten av den oändliga räckan av termer blir absurda och QED blir praktiskt oanvändbar.

Efter mycket vridande på de komplicerade formlerna får problemet sin lösning. De oändliga korrektionerna ersätts av en enda term som tar bort effekten av de virtuella partiklarna, och QED fungerar. (Nobelpriset 1965.)

QED kan nu användas med hög noggrannhet för att förutspå egenskaperna hos nya partiklar. (Nobelpriset 1989.)

Samtidigt tar teorin för den svaga kraften form. Den svaga kraften ansvarar bland annat för det radioaktiva sönderfallet. Kraften har så oerhört kort räckvidd att dess kraftbärare måste ha stor massa, enligt kvantfältteorin. Deras massa skapar stora problem och teoribygget faller samman.

På sextiotalet blir släktskapet mellan elektromagnetismen och den svaga kraften allt tydligare. Matematiken kring QED återanvänds på den svaga kraften och en ny, gemensam teori ser dagens ljus. De två krafterna blir en: den elektrosvaga kraften. (Nobelpriset 1979.)

Men problemet med den svaga kraftens tunga partiklar återstår. Det blir rundgång i teorin när den svaga kraftens tunga W- och Z-partiklar kombineras med elektromagnetismens masslösa fotoner.

Lösningen är ett helt nytt fält som ger partiklarna deras massa. Den svaga kraftens partiklar kan därför vara masslösa i sig, men få sin massa från det nya fältet. Därmed fungerar den elektrosvaga kraften.

Det nya fältet kallas Higgsfältet och dess kraftpartikel är den nu så eftersökta Higgs boson. Mate-riapartiklarna växelverkar med Higgs i olika utsträckning, vilket ger dem olika massa.

Den nya elektro-svaga teorin, som också kallas Standardmodellen, bekräftas av experimenten. Men den har samma problem med de störande, virtuella partiklarna som QED haft tidigare. Denna gång är det betydligt svårare att korrigera deras inverkan, eftersom Standardmodellen är så oerhört matematiskt komplicerad. Partikelfysikerna tror att teorin aldrig blir praktiskt användbar.

Men då kommer årets nobelpristagare och räddar hela teoribygget:

Martin Veltman och Gerard t'Hooft lyckas i början av sjuttiotalet göra om den bedrift som tjugo år tidigare hade gjorts med QED-teorin. Med hjälp av datorer hittar de ett sätt att räkna bort inverkan av de virtuella partiklarna även i Standardmodellen. Äntligen går det att räkna noggrant på experimenten och jämföra dem med teorin. (Nobelpriset 1999.)

Kraftpartiklarna för den svaga kraften, W och Z-partiklarna, förutspåddes redan när teorin om den elektrosvaga kraften formulerades, men Veltman och t'Hooft har gjort att deras egenskaper kan beräknas noggrant. När de upptäcks 1983 vet fysikerna exakt vad de letar efter. (Nobelpriset 1984.)

Det definitiva beviset för att de båda nobelpristagarna har rätt kommer 1995. Då upptäcks toppkvarken, den sista av de sex kvarkarna som bygger upp all materia. Men flera år tidigare kände fysikerna till nästan varje detalj om toppkvarken.

Nu återstår bara att få in den starka kraften, som håller samman atomkärnornas partiklar, samt gravitationen i den slutliga Standardmodellen.

Anders Wallerius

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer

Dagens viktigaste nyheter

Aktuellt inom

Debatt