Söker nya elementarpartiklar

Världens mest avancerade laboratorium för partikelfysik, CERN, finns utanför Genève. Där deltog Sara Strandberg i experimenten som ledde fram till att Higgspartikeln hittades år 2012. Nu leder hon ett projekt där teoretiker och experimentalister tillsammans söker partiklar som kan förklara varför Higgspartikeln är så lätt.

Projektanslag 2017

Solving the Higgs Fine-Tuning Problem with Top Partners

Huvudsökande:
Docent Sara Strandberg

Medsökande:
Stockholms universitet
David Milstead
Jörgen Sjölin

Uppsala universitet
Elin Bergeås Kutmann

Chalmers
Gabriele Ferretti
Christoffer Petersson

Lärosäte:
Stockholms universitet

Beviljat anslag:
35,2 miljoner kronor under fem år

Hundra meter under jord vid CERN, nära gränsen mellan Frankrike och Schweiz, finns partikelacceleratorn LHC. Jättelika magneter i LHC ser till att protoner kolliderar med varandra i nära ljusets hastighet i en 27 kilometer lång tunnel. På så vis skapas förutsättningar att hitta elementarpartiklar, naturens allra minsta beståndsdelar, berättar Sara Strandberg.

Hennes forskning inom experimentell partikelfysik bygger på den data som kommer från en av LHC:s två detektorer, Atlasdetektorn. 46 meter lång, 25 meter bred och 7000 ton tung, är det den största detektor som byggts hittills i världen.

– Jag kom till CERN och Atlasprojektet som postdoktor 2007 och var med när detektorn installerades. Att ha varit där själv och dragit kablar och skruvat på utrustningen gör mig ödmjuk inför det enorma arbetet bakom all den data som kommer ut.

Sara Strandberg har sin bas på Stockholms universitet och Albanova, men hon reser till CERN flera gånger per år. Den länge eftersökta Higgspartikeln är funnen, nu är målet att hitta nya partiklar som kan förklara Higgspartikelns låga massa.

– Egentligen har ju LHC redan levererat det som den byggdes för, att hitta Higgspartikeln. Men nu har vi ju den här fantastiska maskinen som ger oss möjlighet att göra en massa andra spännande saker. Då är mitt jobb som experimentalist att se till att använda utrustningen till max, och få ut så mycket forskningsdata som möjligt.

Nytt samarbete

För partikelfysikerna är det nyfikenheten på hur världens minsta pusselbitar ser ut och fungerar som är drivkraften. Sökandet har resulterat i den så kallade standardmodellen, ett kvantmekaniskt familjeträd för de minsta, subatomära, partiklarna. Higgspartikeln var den sista biten i pusslet, och den bevisar att det finns ett Higgsfält som ger övriga partiklar sin massa, förklarar Sara Strandberg.

­– Standardmodellen beskriver hur elementarpartiklar som kvarkar och elektroner växelverkar med varandra. Den förklarar väldigt bra den materia vi människor och vår miljö består av. Men det finns anledningar att tro att det inte är den slutgiltiga teorin. Till exempel inkluderar den inte gravitationskraften och ger ingen förklaring till universums mörka materia.

Med ett anslag från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse leder Sara Strandberg ett projekt där teoretiker och experimentalister från Stockholms universitet, Uppsala universitet och Chalmers samarbetar. De har även knutit till sig en rad internationella teoretiska fysiker.

– Anslaget är först och främst ett ypperligt tillfälle att bygga en starkare forskningsmiljö i Sverige. Det ger oss möjlighet lära oss nya saker på ett sätt som vi inte kunnat tidigare. Det är vansinnigt kul.

Söker topp-partner

Bakgrunden till projektet är att det är ett mycket stort glapp mellan Atlasexperimentets noggranna mätningar av Higgspartikelns massa och de teoretiska beräkningarna, som i dagsläget ger en mycket högre siffra. Glappet går att lösa med finjusteringar, men helst vill man ha en snyggare lösning.

– Jag, tillsammans med många andra, är redan fokuserad på att hitta en supersymmetrisk partner till toppkvarken som möjligen skulle kunna utvidga standardmodellen och förklara varför Higgspartikeln är så lätt. Det är ett av våra spår även i projektet. Ett annat spår är att den topp-partner som tämjer Higgspartikelns massa är en del av en teori där Higgspartikeln själv inte är en elementarpartikel utan en sammansatt partikel.

Det kan dock vara så att den okända topp-partnern är lite för tung för att man ska kunna hitta den vid LHC. Men kanske kan man ändå se tecken på att den finns. Projektet försöker därför utveckla bättre precisionsmätningar av toppkvarken, syftet är att kunna se små avvikelser i processerna som kan tyda på att en topp-partner är involverad.

Än så länge, konstaterar Sara Strandberg, har ingen hittat några tecken på det man kallar fysik bortom standardmodellen.

– Vi behöver bli lite klurigare och vända på alla stenar, kanske har vi förbisett nån liten twist i problemet.

Precisionsmätning

Det sker 40 miljoner protonkollisioner i sekunden vid LHC. Elementarpartiklar är i de flesta fall kortlivade, men detektorn fångar upp signaler från sönderfallsprodukterna. Analyserna av den enorma mängd data som skapas görs med hjälp av matematiska algoritmer i ett världsomspännande nät av hopkopplade datorer.

Med start i början av 2019 ska LHC uppgraderas under två år. Bra tajming, menar Sara Strandberg. Det ger dem möjlighet att testa sina nya metoder på data från både före och efter uppgraderingen. Drömscenariot vore förstås om man lyckades hittade något tecken på fysik bortom standardmodellen.

– Men även om vi inte gör det så hoppas jag att vi lyckas bredda LHC:s forskningsprogram lite, och också knyta ihop de olika forskargrupperna i vårt samarbete, säger Sara Strandberg.

Text Susanne Rosén
Bild Magnus Bergström

 

Fakta om Standardmodellen

Länge trodde man att atomen var den minsta partikeln. Men vid 1800-talets slut upptäcktes elektronen och därefter protonen och neutronen, som på 1960-talet visade sig bestå av kvarkar.

Standardmodellen är en kvantfältsteori enligt vilken det finns tre sorters elementarpartiklar; Kvarkar i sex olika former. Toppkvarken hittades 1995. Leptoner, till exempel elektronen. Bosoner, till exempel fotonen, som förmedlar krafter.
Standardmodellen beskriver hur dessa partiklar interagerar med varandra genom elektromagnetisk, stark och svag växelverkan. All känd materia såsom atomer, atomkärnor, neutroner och protoner, är uppbyggd av kvarkar och leptoner. Higgspartikeln som upptäcktes 2012 vid LCH i CERN är en boson, och dess fält ger övriga elementarpartiklar sin massa.

Mer om Sara Strandbergs forskning:
Kan supersymmetri förklara mörk materia?