Dyra maskiner letar små partiklar

All materia har massa, det är alla överens om, men varför? Problemet är att när forskarna plockar isär materien till sina allra minsta beståndsdelar – från molekyler till atomer till protoner och neutroner till kvarkar – så försvinner plötsligt massan i tomma intet i deras ekvationer.

Vart tar den vägen? Eller snarare, vad är det som gör att något överhuvudtaget kan ha massa? En fysiker vid namn Peter Higgs vid universitetet i Edinburgh grubblade över saken i början av 1960-talet, och kom fram till en teori. Så här lyder den i korthet:

”Vid universums födelse för ungefär 14 miljarder år sedan, den explosion som brukar kallas Stora Smällen, var alla partiklar masslösa. Men en bråkdel av en sekund senare, när eldbollen expanderat och svalnat något, uppstod ett kraftfält som fyllde hela universum. Genom interaktion med detta fält fick elementarpartiklarna massa.”

Higgs hävdade att massa uppstår genom att elementarpartiklarna liksom klibbar fast vid fältet. Vissa typer av partiklar är mer klibbiga än andra, och har därför mer massa. Andra, som fotoner, klibbar inte alls och är därför masslösa.

Våren 1964 skrev Higgs ner sin teori och skickade den, tillsammans med de bakomliggande matematiska kalkylerna, till den vetenskapliga tidskriften ”Physics Letters” som gavs ut av Cern – Centre Européen pour la Recherche Nucleaire – i Genève. Artikeln publicerades omgående, men väckte ingen större uppmärksamhet.

Ett halvår senare skickade han in en ny artikel, där han också bland annat förutsade en dittills okänd mycket tung partikel, en boson. Denna växelverkade med elementarpartiklarna och gav dem massa. Men artikeln refuserades av Cerns vetenskapliga redaktör.

”Saknar relevans för fysiken”, var svaret.

Den stackars redaktören har säkert fått ångra detta förhastade omdöme många gånger under de senaste femtio åren. Den stora synkrotronen LHC – Large Hadron Collider – vid Cern är världens största och dyraste maskin, och den är byggd för att kunna upptäcka Higgs boson. Just den partikel som man inte tyckte hade relevans för fysiken 1964.

Nu hade nog Higgs boson snart fallit i glömska om det inte varit för att den amerikanske fysikern Steven Weinberg och hans pakistanske kollega ­Abdus Salam. På 1970-talet kämpade de med att försöka förena den elektromagnetiska kraften med den svaga kärnkraften. Deras idé var att de två krafterna ursprungligen varit en och samma, men att de skildes åt när universum svalnat en smula några bråkdelar av en sekund efter den stora smällen. Men inte förrän de plockade in Higgs teori i sina beräkningar gick det hela ihop.

Weinberg hävdade nu att den svaga kraften växelverkade med hjälp av ett slags tunga kraftbärande partiklar, bosoner. Han förutsade att det fanns tre typer av sådana, vilka han kallade W+, W- och Z. Dessutom förutsade han en eller flera Higgs-bosoner, som kopplade kärnpartiklarna till Higgs-fältet och gav dem massa. För detta fick Weinberg och Salam Nobelpriset i fysik 1979.

Sedan 1980-talet har USA och Europa tävlat om att vara först med att hitta de exotiska partiklarna. 1983 fann man W och Z-bosonerna vid kollisioner i den dåvarande acceleratorn vid Cern. Men Higgs boson väntar ännu på sin upptäckt.

Den svaga kärnkraften är en av de fyra fundamentala naturkrafterna (de andra är gravitationen, den elektromagnetiska kraften och den starka kärnkraften som håller ihop protonerna och neuronerna i atomkärnan). Det är den svaga kraften som orsakar radioaktiva sönderfall. Vid beta-sönderfall höjs (eller sänks) atomnumret ett steg genom att en neutron i atomkärnan förvandlas till en proton (eller tvärtom) samtidigt som joniserande betastrålning avges.

Men det märkligaste med den svaga växelverkan är att den inte är helt symmetrisk. Den kan förvandla ”höger” till ”vänster”, och det är detta som anses vara anledningen till att det överhuvudtaget finns materia i universum. Vid Big Bang skapades (enligt teorin) lika mycket materia som antimateria. När saker och ting lugnat ner sig en smula borde det ena slaget tagit ut det andra helt och hållet, men så blev det inte. Det blev en del materia av det slag vi är vana vid över, och det anses ha berott på den svaga växelverkan förvandlat en del antimateria till materia.

Partikelacceleratorn LHC vid Cern blev klar 2009, varefter den omedelbart havererade. Efter ett års reparationsarbeten går den nu på halvfart. Egentligen skulle den ha fått konkurrens av en amerikansk kusin, kallad ”The Superconducting Supercollider”, men den visade sig bli så hiskeligt dyr att hela bygget stoppades av amerikanska kongressen 1993.

Är Higgs boson värd alla pengarna det kostar de europeiska skattebetalarna att leta efter den – om den nu ens finns?

– Nej, i dagens läge har Higgs-bosonen inget industriellt användningsområde. Men det sa man ju om elektronen också på sin tid, säger en fysiker i den engelske  vetenskapsjournalisten Ian Samples bok ”Massive – the Hunt for the God Particle”. Här finns en redogörelse för det forskningspolitiska rävspelet och partikelkelacceleratorernas histora.