Gör precisionsmätningar av Higgsbosonen

All materia på jorden och i universum är uppbyggd av elementarpartiklar som funnits sedan strax efter Big Bang. Wallenberg Scholar Sara Strandberg studerar hur partiklarna interagerar med varandra. Med hjälp av data från partikelkollideraren LHC i CERN fördjupar hon kunskapen om Higgsbosonen och dess roll i fysikens standardmodell. 

Sara Strandberg

Professor i elementarpartikelfysik

Wallenberg Academy Fellow/Wallenberg Scholar

Lärosäte:
Stockholms universitet

Forskningsområde:
Experimentell elementarpartikelfysik, studerar Higgsbosonen och fysiken bortom standardmodellen.

– Anledningen till att jag är så intresserade av partikelfysik är att det handlar om att förstå universums beståndsdelar och lagar på den allra mest grundläggande nivån. För att komma framåt i det arbetet behöver vi fortsätta att göra den typen av mätningar som jag och min forskargrupp är involverade i, säger Sara Strandberg.

Hennes arbete bygger på data från experiment i den stora partikelkollideraren LHC vid CERN i Schweiz, där hon tillbringat mycket tid genom åren.

– Jag är särskilt intresserad av Higgsbosonen, som har en viktig roll i den standardmodell (se faktaruta) inom fysiken som beskriver de krafter som verkar mellan elementarpartiklarna. Higgsbosonen ger andra partiklar sin massa. Mer kunskap om Higgsbosonen är en viktig nyckel för att komma framåt i forskningen om partikelfysik.

När Higgsbosonen upptäcktes i LHC år 2012 hade det gått nära 50 år sedan fysikerna François Englert och Peter W. Higgs förutspått i teorin att den borde finnas. Sara Strandberg var en av de tusentals forskare som i en gigantisk laginsats lyckades vaska fram bevis på partikelns existens i experimenten. Tack vare denna upptäckt fick Englert och Higgs 2013 dela på Nobelpriset i fysik. Och Sara Strandberg har sedan dess fortsatt att utforska Higgsbosonen på olika sätt.

– Man kan tycka att Higgsbosonen är ”old news”, men det är inte ens tio år sedan vi hittade den och det finns fortfarande så mycket att lära sig om den här partikeln. Det finns också stora möjligheter att göra upptäckter som ligger utanför det som man förväntar sig av standardmodellen.

Modell med brister

Utgångspunkten för forskningen Sara Strandberg och andra bedriver vid LHC är att standardmodellen som den ser ut idag inte kan vara den slutgiltiga teorin för hur universum är uppbyggt.

– Standardmodellen har brister som vi måste förhålla oss till. Som att gravitationskraften inte finns med i teorin. Eller att den inte kan förklara den mörka materian i universum eller varför universum består av lika delar materia och antimateria. Vårt arbete handlar om att försöka utvidga standardmodellen för att få svar på dessa frågor.

Forskargruppen gör sina experiment med Atlasdetektorn, en av LHC:s två partikeldetektorer, och den största som finns i världen. Den finns i en 27 kilometer lång tunnel hundra meter under jorden. Där får protoner kollidera med varandra i nära ljusets hastighet för att i hög energi omvandlas till andra partiklar.

– De partiklar som skapas i LHC är ofta väldigt kortlivade och omvandlas mycket snabbt, förklarar Sara Strandberg.

Detektorn vid LHC spottar ur sig data bestående av ettor och nollor med en viss tidsstämpel. Dessa härleds sedan av forskarna till specifika partiklar, processer och egenskaper med hjälp av skräddarsydda datoralgoritmer. Man mäter till exempel energi och rörelsemönster.

Sara Strandberg har gjort mycket studier av det som kallas supersymmetri. Det är en möjlig utvidgning av standardmodellen som innebär att varje elementarpartikel har en så kallad supersymmetrisk partner.

­– Ett av de problem som supersymmetri kan lösa är varför värdet på Higgsbosonens massa inte stämmer med teorin i standardmodellen. Den måste finjusteras mycket för att få den att stämma med det värde som har uppmätts i experimenten. Jag har letat efter sådan supersymmetrisk partikel som skulle kunna förklara Higgsmassan på ett naturligt sätt.

”Det som är så roligt med att få Scholaranslaget är att jag får möjlighet att bredda min forskning och våga testa nya spår. Jag kan nu titta närmare på idéer som jag haft lite i bakhuvudet tidigare men inte haft resurser att realisera och fördjupa mig vidare i.”

Higgsbosonen har hög prioritet

Egentligen är Higgsbosonen en störning, eller på fysikspråk en excitation, i det osynliga Higgsfält som genomsyrar hela universum. Det är via kontakten med Higgsfältet som vissa av de andra partiklarna i standardmodellen får sin massa.

Som Wallenberg Scholar vill Sara Strandberg titta på Higgsbosonen mera specifikt.

– Jag har länge velat bredda forskningen och titta mer på precisionsmätningar som rör Higgsbosonen. En sådan högprofilmätning är det som kallas parproduktion av Higgsbosoner, som kan ge oss viktig information om Higgsfältets egenskaper. Egenskaper som i sin tur är viktiga för att förstå universums utveckling.

Mätningar av Higgsbosonen har också högsta prioritet i europeiska partikelfysiksamfundets strategi för det fortsatta arbetet vid LHC, berättar Sara Strandberg. LHC har varit stängt för en uppgradering i några år och startar igen 2022. Men redan 2026 planeras en stor uppgradering till ”High-Luminosity LHC” för att kunna göra fler partikelkollisioner och mäta mer detaljer, till exempel parproduktion av Higgsbosoner.

– Då ska vi kunna samla in tio gånger så mycket data som nu och leta efter fler processer. För första gången är vi i en fas i våra experiment på LCH där vi både behöver analysera tidigare och kommande data på smartare sätt och samtidigt behöver göra en uppgradering av tekniken för att komma vidare. Det är en stor utmaning att balansera de här två viktiga sakerna.

Text Susanne Rosén
Bild  CERN, (c) 2015 ATLAS Collaboration  CERN, Markus Marcetic, Sara Strandberg

 

Fakta om Standardmodellen

All materia består av atomer, atomkärnor, neutroner och protoner som i sin tur är uppbyggda av elementarpartiklar. Standardmodellen är en kvantfältsteori som beskriver hur alla dessa partiklar interagerar med varandra.

Enligt standardmodellen finns det tre sorters elementarpartiklar. Kvarkar i sex olika former. Toppkvarken hittades 1995. Leptoner, till exempel elektronen. Bosoner, exempelvis fotonen, som förmedlar krafter.

Higgsbosonen upptäcktes 2012 och hör ihop med Higgsfältet som ger vissa elementarpartiklar sin massa. Alla partiklar har också en antipartikel.

Mer om Sara Strandbergs forskning:

Söker nya elementarpartiklar