Elementærpartikkelfysikk, også kalt høgenergifysikk eller partikkelfysikk, er studiet av elementærpartikler, vekselvirkningene deres og prosessene der de er involvert. Elementærpartikkelfysikken er ei videreføring av atom- og kjernefysikk, i det en studerer partiklene som atomet og atomkjernen er bygd opp av, samt en del mer eksotiske og ustabile partikler.

For å studere partiklenes oppførsel må en ha tilgang på partikkelstråler. Noe kan en få fra naturlig kosmisk stråling, men det vanlige er å bruke elektroner eller protoner som kan akselereres i en akselerator. Partiklene akselereres i et elektrisk felt. For å unngå at akseleratoren skal bli for lang, kan en la partikkelstrålen gå i ring, slik at partiklene passerer de samme akselerasjonsfelta flere ganger. Til å avbøye strålen langs ringen brukes sterke magneter, og til å fokusere strålen brukes magnetiske kvadrupoler. På denne måten har en, ved hjelp av stadig bedre teknologi, klart å skaffe seg stråler av elektroner og protoner, samt  antipartiklene deres, og fått dem til å kollidere med hverandre med stadig større energier.

I moderne akseleratorer lar man to stråler gå langs ringen i motsatte omløpsretninger, slik at partikler kolliderer ved bestemte punkter langs ringen. Sluttprodukta fra slike kollisjoner studeres ved ulike typer detektorer, der en prøver å identifisere de involverte partikkeltypene, ved å bestemme deres energi og fart etter kollisjonen. Tidligere brukte en ofte et såkalt boblekammer der elementærpartikler med elektrisk ladning lager ionisasjonsspor som kan fanges opp på film. Nå brukes mer elektronikk, der partiklene treffer følsomme celler som via kabler sender signaler til datamaskiner som bearbeider disse og rekonstruerer kollisjonen. Ut av kollisjonen kan det komme velkjente partikler, men også mer eksotiske ustabile partikler som i løpet av svært kort tid forsvinner (går sund) og omdannes til andre lettere partikler. Slik omdanning av ustabile partikler kalles desintegrasjon, henfall, eller sundfall.

I atomfysikk beskrives den elektromagnetiske vekselvirkninga mellom et elektron og kjernen ved hjelp av et coulombpotensial (se coulombkraft). Denne beskrivelsen som er basert på ikke-relativistisk kvanteteori er i godt samsvar  med observasjoner i et atom der partiklene har liten fart. Men i elementærpartikkelfysikk der partiklene har stor energi og fart, må beskrivelsen være i samsvar med relativitetsteorien . Det er også en svært viktig egenskap ved relativistisk teori at antall partikler ikke er bevart. Partikler kan oppstå og forsvinne,men den totale energien er bevart, i samsvar med Einsteins berømte formel E = m c^2.

I partikkelfysikk beskrives vekselvirkningene, dvs. kreftene, mellom partiklene ved hjelp av kvantefeltteori. Vekselvirkninga mellom to fermioner beskrives da som utveksling av en spesiell type bosoner, kalt vekselvirkningspartikler eller justérbosoner, (eng. gauge-bosons. Se justérteori). Det finnes generelt et sett av slike bosoner for hver type vekselvirkning. I elektromagnetisk vekselvirkning finnes ett boson, fotonet, dvs. det elementære lyskvantet. F.eks vil et coulombpotensial mellom to elektroner tilsvare utveksling av ett foton. Denne typen kvantefeltteori kalles kvante-elektrodynamikk, ofte forkorta til QED.

I svak vekselvirkning, som beta-desintegrasjon, formidles vekselvirkningen av de ladede W±-bosonene. I motsetning til fotonet, som ikke har masse, er W± svært tunge (ca. 80 GeV/c2), ca. 90 ganger tyngre enn protonet. Dette har sammenheng med at svak vekselvirkning, ved energier på noen få GeV eller mindre, har svært kort rekkevidde, omkring 10–18 m. Generelt er rekkevidden omvendt proporsjonalt med massen til vekselvirkningspartikkelen. I forent elektromagnetisk og svak vekselvirkning, kalt elektrosvak vekselvirkning (se elektrosvak teori), utveksles fotonet, W±-bosonene, og det nøytrale bosonet Z, med masse 92 GeV/c2, dvs. nesten hundre ganger tyngre enn protonet.

Eksistensen av W±-bosonene ble postulert alt i 1930-årene av svensken Oskar Klein, og de ble bygd inn i elektrosvak teori sammen med Z-bosonet og fotonet (γ) i 1960-årene, først og fremst av S. Glashow, S. Weinberg og A. Salam, som fikk Nobelprisen for dette arbeidet i 1979. Det kan kanskje virke overraskende at så tunge partikler kan utveksles i prosesser som for eksempel beta-desintegrasjon, der den tilgjengelige energien bare er en liten brøkdel av W±-bosonenes hvile-energi mWc2 (mW er W-bosonets masse og c er lysfarten). Dette er likevel mulig pga. uskarphetsrelasjonen i energi og tid, ΔE×Δt∼ ℏ, der ℏ er Plancks konstant, h dividert med 2π. Dersom uskarpheten ΔE i energi identifiseres med W±-bosonenes hvile-energi, kan likevel slike (virtuelle) tunge bosoner eksistere en svært kort tid (Δt∼ Δℏ/(mWc2)) slik at den svake vekselvirkningen kan finne sted. Selv om alle observasjoner var i overensstemmelse med teorien, ble ikke W± og Z observert direkte før i 1983–84, i et eksperiment på CERN i Genève, der den tilgjengelige energien var stor nok til dette.

Først ved energier omkring mW c2 og større vil elektrosvak teori fremstå som en forent teori for elektromagnetisk og svak vekselvirkning der utveksling av fotoner og W-, Z-bosoner har omtrent samme styrke.

I sterk vekselvirkning utveksler kvarkene justérbosoner som kalles gluoner (av eng. glue, 'lim'). Navnet kommer av at gluonfeltet binder kvarkene sammen til hadroner (se elementærpartikkel). Gluonene overfører fargeladning fra en kvark til en annen. Denne typen kvantefeltteori heter kvantekromodynamikk (eng. quantum chromodynamics, forkortet til QCD).

I likhet med fotonet har gluonene ingen hvilemasse. Grunnen til at sterk vekselvirkning likevel har kort rekkevidde, skyldes en annen egenskap ved sterk vekselvirkning, nemlig innestengning av farge (eng. confinement). Isolerte fargeladninger, f.eks. i form av en isolert kvark eller et isolert gluon, kan ikke forekomme. Derfor kommer kvarkene eller gluonene ikke utenfor hadronet (f.eks nukleonet). Dersom energien i en sterk prosess ikke overstiger f.eks omkring 100 MeV, kan det i noen tilfelle, som f.eks. i kjernefysikk, være en rimelig god tilnærming å beskrive sterk vekselvirkning mellom nukleoner som utveksling av pioner (π- mesoner), men dette bildet kan ikke brukes for store energier. Utveksling av et pion mellom to nukleoner tilsvarer at nukleonene bytter en kvark med hverandre under kollisjonsprosessen.

Elementærpartikkelfysikk av Kunnskapsforlaget. Gjengitt med tillatelse

Bildet som er beskrevet over, der fermioner vekselvirker ved å utveksle bosoner, er gyldig for elektrosvak vekselvirkning og i kvantekromodynamikk ved energier over 1 GeV. (En slik beskrivelse er ikke gyldig i sterk vekselvirkning ved energier under 1 GeV). Når beskrivelsen er gyldig, kan prosessene illustreres ved hjelp av enkle diagram, såkalte Feynman-diagram oppkalt etter R. P. Feynman som først tok i bruk slike diagram.

I det følgende vil typiske prosesser bli illustrert ved hjelp av Feynman-diagram, som leses fra venstre mot høyre (Fig. 1–7).

I fig.1 er en kollisjon mellom to elektroner illustrert ved det enklest mulige Feynman-diagrammet. De to rette linjene som går mot hverandre illustrerer de to elektronene før kollisjonen. Kollisjonen representeres (i enkleste tilfelle) ved utveksling av ett foton. Dette er illustrert ved den bølgete linjen. Etter dette går elektronene fra hverandre.

Fig. 2 illustrerer et elektron som kolliderer med et proton. Dette skjer ved at elektronet vekselvirker med en kvark i protonet ved utveksling av et foton. Ved små energier opp til 100 MeV f.eks., vil denne kvarken etter kollisjonen holde seg sammen med de to andre kvarkene i protonet pga. den sterke vekselvirkningen mellom kvarkene. Men ved energier på flere GeV, kan protonet brytes opp, og det dannes et nukleon og noen pi-mesoner f.eks. Slike prosesser ble studert ved Stanford Linear Accelerator Center, SLAC i California, USA, rundt 1970, og det man så ble forklart slik: Når det innkommende elektronet har stor energi, vil en del av denne, via det virtuelle fotonet, overføres til den spredte kvarken som dermed får stor energi og forskjellig retning fra de to andre kvarkene. Kvarkene vil etter hvert stråle gluoner som igjen danner kvark-antikvark-par. (En antipartikkel illustreres med pil bakover). Disse slår seg så sammen til hadroner.

Fig. 3 illustrerer beta-desintegrasjon. En av u-kvarkene i protonet sender ut et positivt ladet (virtuelt) W-boson og omdannes dermed til en d-kvark. Det virtuelle W-bosonet omdannes så til et elektron og et anti-elektronnøytrino.

Fig. 4 viser desintegrasjonsprosessen π+→ μ+νμ, ved at u- og d- kvarken i pionet annihilerer til et virtuelt W+ som igjen omdannes til et leptonpar (π+ og νμ).

Fig. 5 viser mekanismen for produksjon av et fysisk W-boson fra en kollisjon mellom et proton og et antiproton, slik det foregikk på CERN i 1983. Det som skjer i en slik prosess er at en kvark fra protonet annihilerer med en antikvark fra antiprotonet og danner et fysisk W-boson. Dette kunne påvises ved at det desintegrerte til f.eks. et elektron og et nøytrino, begge med en energi som er omkring halvparten av W-bosonets hvileenergi. De to gjenværende kvarkene fra protonet og de to gjenværende antikvarkene fra antiprotonet vil slå seg sammen til hadroner.

I fig. 6 ser man et e+e- par som annihilerer til et (virtuelt) foton eller Z-boson. Det virtuelle bosonet kan så omdannes til et eller annet fermion-antifermion par så sant det er tilstrekkelig energi. Dette er en type prosess man tidligere studerte ved DESY i Hamburg og som man nå studerer på LEP-maskinen ved CERN i Genève. På LEP er energien akkurat stor nok til at det produseres et fysisk Z-boson. (Senere skal energien økes slik at det kan produseres et fysisk W+, W- par).

Et svært viktig resultat fra LEP er at det finnes bare tre lette nøytrinotyper. (Men fortsatt kan det tenkes at det finnes nøytrale leptoner med masse større enn halvparten av Z-boson massen.)

Dersom det i e+e--kollisjoner produseres et par med en kvark og en antikvark, vil disse stråle gluoner som igjen kan bli til nye kvark-antikvark-par slik at det dannes en skur av hadroner. Men det viser seg at det er en tendens til at det kommer ut energirike partikler i to «bunter» i retningen til de opprinnelige kvarkene. En slik energirik bunt med partikler kalles en jet. Ved DESY fant man i 1979 en såkalt 3-jet prosess (fig. 7). Her stråler enten kvarken eller antikvarken et hardt gluon, og kvarken, antikvarken og gluonet lager en jet hver. Dette ble tatt som et indirekte bevis for eksistensen av gluonet.

I partikkelfysikken spiller bevaringslover en stor rolle. Størrelser som (total) energi, impulsmoment og elektrisk ladning, er bevart i alle fysiske prosesser. I en prosess kan partikler forsvinne og nye oppstå, men energien er den samme før som etter prosessen når man tar i betraktning partiklenes hvilemasse m, som ifølge Einsteins berømte formel representerer en energi E = m·c2.

Også kvantetall som baryontall og alle tre typer leptontall er bevart, så langt man har kunnet måle (se også elementærpartikkel). I prosesser målt i ett og samme laboratorium finner en også at de tre leptontallene er bevart hver for seg. Men disse siste bevaringslovene er neppe så fundamentale. I hypotetiske modeller som er lansert, vil det forekomme små avvik fra disse. For eksempel vil en prosess som μ→ eγ være forenlig med bevaring av total energi, impulsmoment, og elektrisk ladning, men den bevarer ikke leptontallene Le og Lμ. Denne prosessen er aldri observert. Dersom den skulle eksistere, har den en relativ sannsynlighet på mindre enn 10–11 i forhold til den dominerende desintegrasjonsmåten μ → eνeνμ.

I 1998 ble nøytrino-oscillasjoner påvist ved et eksperiment (Super-Kamiokande) i Japan. Andre eksperimenter der nøytrinoer beveger seg over lange avstander (f.eks. et par hundre kilometer, eller tvers gjennom jordkloden, eller fra Solen til Jorden) støtter denne konklusjonen. Dermed er altså de tre leptontallene ikke bevart hver for seg. (Alt tyder foreløpig på at summen av leptontallene er bevart). Dessuten må noen (minst en) av massene til de tre nøytrinotypene være forskjellig fra null. Men flere eksperimenter må utføres før man kan trekke kvantitative konklusjoner. Slike eksperimenter er i gang og nye er under planlegging.

I partikkelfysikk er følgende tre operasjoner viktige: 1. Ladningskonjugasjon, C, dvs. fortegnsskifte av alle typer ladninger (for fargeladning rød→antirød, osv.). 2. Paritetstransformasjon, P (speiling), dvs. alle posisjoner og hastigheter bytter fortegn, mens impulsmomenter ikke endres. 3. Tidsreversjon,T, dvs. tiden skifter fortegn.

Både sterk og elektromagnetisk vekselvirkning er symmetriske ved disse tre operasjonene. Dette gjelder ikke i svak vekselvirkning. Som forklaring på at et K-meson kunne desintegrere både til 2 og 3 pioner, foreslo T. D. Lee og C. N. Yang i 1956 at speilingssymmetri ikke var bevart (K- og π-mesoner har negativ paritet). For dette fikk de Nobelprisen i 1957. I 1957 ble det så påvist at P-symmetri var brutt i beta-desintegrasjon. Man mente at C-symmetri også var brutt på en slik måte at kombinasjonen CP fortsatt var en gyldig symmetri i svak vekselvirkning.

Dette sees eksperimentelt ved at prosessen π-→μνμ har en like stor sannsynlighet som π+→μ+νμ. I 1964 fant man så et mindre brudd på CP-symmetri når nøytrale K-mesoner desintegrerer til to π-mesoner (se CP-symmetri og antimaterie). J. W. Cronin og V. L. Fitch fikk Nobelprisen for denne oppdagelsen i 1980.

Hittil tyder alt på at kombinasjonen CPT er en gyldig symmetri. Denne symmetrien er bygd inn i kvantefeltteori, som all partikkelfysikk er bygd på. CPT-symmetri innebærer blant annet at en partikkel har samme masse som sin antipartikkel. Det foregår fortsatt tester av CP-, T-, og CPT-symmetri. Studiet av brudd på disse symmetriene er viktige, fordi det ifølge moderne kosmologi må ha funnet sted brudd på CP-symmetri i det tidlige univers, som var en slags gass av leptoner og kvarker, fotoner og andre justérbosoner med ekstremt høy temperatur (se big bang, kosmologi, antimaterie).

Det vi nå vet om de 12 fundamentale fermionene og deres vekselvirkninger, dvs. elektrosvak teori, formidlet av fotonet (γ), W± og Z-bosonene, og kvantekromodynamikk, formidlet av gluonene, er sammenfattet i den såkalte Standardmodellen for elementærpartikkelfysikk. Alle observasjoner stemmer overens med denne, så langt man har målt hittil. I 2011 ble den siste byggesteinen, Higgspartikkelen funnet ved LHC-eksperimentet ved CERN. Det såkalte Higgsfeltet, der den fysiske Higgspartikkelen er en del av komponentene er ifølge den elektrosvak teorien ansvarlig for at elementærpartiklene, forstått som kvarker, leptoner, W-og Z-bosoner har masse. Massene til nukleonene, som er bundne tilstander av tre kvarker, skyldes derimot egenskapene til sterk vekselvirkning

Selv om Standardmodellen hittil ser ut til å være i samsvar med alle fenomener, er det en del spørsmål den ikke gir svar på. Mange fysikere venter at ved energier som er høyere enn de som er tilgjengelige i dag, vil det oppstå nye fenomener og oppdages nye partikler. Det kan tenkes at de ørsmå nøytrinomassene indirekte kan ha sammenheng med fysikk utover Standardmodellen

Det er to måter slik ny fysikk kan påvises eksperimentelt. Det ene er å påvise eksistensen av en ny tung partikkel direkte ved å ha tilstrekkelig energi på partikkelstrålene i en akselerator. Det andre er å se etter svært sjeldne prosesser. Nye (tunge) partikler og justérbosoner kan nemlig manifestere seg indirekte gjennom kvantefluktuasjoner på en slik måte at prosesser som er forbudt i eller sjeldne i Standardmodellen kan forekomme med en sannsynlighet som er forskjellig fra den teoretiske som kan beregnes ut i fra Standardmodellen. Prosessen μ→γe har alt vært nevnt som en slik hypotetisk mulighet.

En annen hypotetisk prosess som har vært studert, er p→π0e+, som ville innebære at protonet er ustabilt. Man har prøvd å se etter en slik prosess ved å plassere store mengder vann (f.eks. omkring tusen tonn) i nedlagte gruver langt under jordoverflaten skjermet for kosmisk stråling. Hittil finnes ingen tegn på at protonet er ustabilt, men man har funnet ut at det har en levetid på mer enn 1031 år. (Dersom protonet har en levetid på 1031 år, vil ett av 1031 protoner desintegrere i løpet av ett år.) En slik prosess vil være mulig innenfor en eventuell forent teori for elektrosvak og sterk vekselvirkning. Ifølge slike teorier må det finnes ekstremt tunge bosoner (med masse av størrelsesorden 1016 GeV/c2) som formidler baryontall-brytende vekselvirkninger. Ved en slik enorm masseskala skal ifølge denne teorien elektrosvak og sterk vekselvirkning ha samme styrke, mens den sterke vekselvirkningen er 10 ganger sterkere enn elektrosvak vekselvirkning ved energien mZc2, og hundre ganger sterkere enn den elektromagnetiske under 1 GeV.

En annen utvidelse av Standardmodellen er supersymmetri. Dette er en boson-fermion symmetri: Til ethvert fermion skal det finnes et tilsvarende boson med samme sett kvantetall, og omvendt. Dette betyr (minst) en fordobling av det kjente partikkelspekteret. Det er en utbredt oppfatning at supersymmetri er nødvendig for å inkludere gravitasjon i en forent teori for alle typer vekselvirkninger. Foreløpig er det ingen klare tegn på at supersymmetriske partikler finnes i naturen.

Å påvise eventuelle utvidelser av Standardmodellen er ikke bare viktig for forståelsen av elementærpartikkelfysikken. En utvidelse som også omfatter gravitasjon, vil kunne bidra til ny forståelse av det tidlige univers, en ekstremt liten brøkdel av et sekund etter big bang.

I 1999 påviste man eksperimentelt (på Fermilab. og ved CERN) at bruddet på CP-symmetri er litt forskjellig når et nøytralt K-meson henfaller til to elektrisk nøytrale π-mesoner, sammenlignet med to ladede π-mesoner (ett med ladning pluss og ett med ladning minus). Denne effekten kan, iallfall et stykke på vei, forklares innenfor standardteorien for elektrosvak- og sterk vekselvirkning (Standardmodellen). Det er foreløpig uklart om det i tillegg trengs (hittil hypotetisk) ny fysikk utover Standardmodellen for å forklare denne effekten. I 1999 ble det også påvist på CERN et direkte brudd på T-symmetri ved henfall av nøytrale K-mesoner. (Dersom man går ut i fra at CPT-teoremet er gyldig, vil et CP-brudd indirekte implisere T-brudd. Men nå er det altså også påvist direkte). Nylig (2003) har man også påvist brudd på CP-symmetri ved henfall av B-mesoner (ved SLAC og Fermilab i USA og ved KEK i Japan).

Foreslå endringer i tekst

Foreslå bilder til artikkelen

Kommentarer

Har du spørsmål til artikkelen? Skriv her, så får du svar fra fagansvarlig eller redaktør.

Du må være logget inn for å kommentere.