Söker två samspelande Higgspartiklar

Att hitta nya elementarpartiklar, materiens och universums minsta byggstenar, kan liknas vid att leta efter en nål i en höstack. Fast på kvantnivå. Jonas Strandberg hoppas i framtiden hitta två växelverkande Higgspartiklar bland protonkollisionerna i CERN:s stora partikelaccelerator LHC. Uppgraderingen av LHC och en ny detektordel är avgörande för att lyckas. 

Jonas Strandberg

Docent i partikelfysik

Wallenberg Academy Fellow 2015

Lärosäte:
KTH

Forskningsområde:
Utforskar Higgspartikelns egenskaper med hjälp av experimentella data från partikelacceleratorn LHC i CERN.

Att leda en forskargrupp och långsiktiga projekt handlar mycket om att bygga starka lag, konstaterar Jonas Strandberg. Hans forskargrupp på KTH arbetar inom Atlas-projektet som är ett av experimenten vid CERN, världens största laboratorium för partikelfysik utanför Genève i Schweiz. Där samarbetar flera tusen forskare för att identifiera materiens allra minsta beståndsdelar, elementarpartiklar, och förstå hur de samspelar i universum.

– Jag har alltid varit intresserad av ledarskap och lagbyggen. När jag var yngre spelade jag mycket fotboll och jag gillar att titta på lagsporter. I en forskargrupp är det viktigt att ha folk med olika bakgrund, kompetens och personlighet, så att helheten blir större än de enskilda delarna. Det uppskattar jag med Atlas-experimentet, att få vara med i ett större projekt med ett större gemensamt mål där alla gör sin del av jobbet.

Under årens lopp har Jonas Strandberg tillbringat mycket tid på CERN för att bygga detektorer, koordinera och göra experiment. Han var med i det enorma lagarbetet att vaska fram bevis på Higgspartikeln 2012 (se faktaruta). Den var länge en eftersökt pusselbit i fysikens standardmodell som beskriver hur elementarpartiklarna växelverkar med varandra. Higgspartikeln ger, lite förenklat, massa till vissa partiklar i universum, förklarar han.

– Min forskargrupp håller fortfarande på med analyser av Higgspartikelns egenskaper. Vi har bland annat börjat förbereda en analys där vi letar efter två Higgspartiklar som skapas samtidigt.

Tvillingpartiklar sökes

Vid CERN finns LHC, en kraftfull partikelaccelerator som är placerad i en 27 kilometer lång tunnelring 100 meter under jorden. Där låter man protoner kollidera med varandra för att försöka återskapa tillståndet i universum strax efter Big Bang. Atlasdetektorn fångar upp signaler från sönderfallet av de kortlivade partiklar som skapas i protonkollisionerna. Med hjälp av avancerade datoralgoritmer kan forskarna sedan rekonstruera och analysera partiklarna.

Redan när LHC byggdes visste man att det kommer behövas en större uppgradering 2026, berättar Jonas Strandberg.

– När vi ändå byter ut utrustningen vill vi passa på att testa ny teknologi och se till att LHC kan ge oss fler kollisioner, det vi kallar High-Luminosity LHC. Luminositet är ett mått på acceleratorns lyskraft kan man säga, så ju starkare den lyser desto fler kollisioner skapas.

För att lyckas hitta två Higgspartiklar som skapats samtidigt krävs betydligt fler protonkollisioner än vad som är möjligt i LHC idag.

– Vi mäter ju på väldigt ovanliga kvantmekaniska processer. Skapandet av en Higgspartikel händer bara en gång av kanske tio miljarder kollisioner, så ju fler kollisioner vi har desto mer intressant och ovanlig fysik kan vi försöka hitta.

En sak som standardmodellen förutsäger är att Higgspartikeln ska kunna interagera med andra Higgspartiklar, med en styrka som är given i en viss parameter.

– Den här parametern är jätteviktig för den styr hur higgsmekanismen fungerar och hur universums tillstånd och uppbyggnad ser ut. Vi vet i teorin vad vi kan förvänta oss, men vi har aldrig mätt den. Det här vill vi göra när LHC har uppgraderats genom att hitta kollisioner där två Higgspartiklar skapas.

”Jag känner mig väldigt lyckligt lottad. Det här anslaget ger mig som grundforskare en trygghet och stabilitet, och gör det möjligt för mig att satsa på den forskning jag tror på.”

Fram till dess letar de vidare i data från tidigare experiment med hjälp av artificiell intelligens, AI, och liknande metoder.

– Om vi skulle hitta parproduktion av Higgspartiklar där skulle det vara en chock. Men det skulle betyda att något konstigt och nytt har hänt, så vi måste ändå kolla. Och vi lär oss samtidigt hur vi ska göra i framtiden.

Ny detektordel

Jonas Strandberg är inblandade dels i utvecklingen av en ny detektortyp, dels i arbetet som rör hur man ska kunna mäta antalet kollisioner bättre än tidigare.

– Atlasdetektorn är uppbyggd av mindre detektorer. Vi bygger en ny sådan detektordel, en så kallad timingdetektor. Den ska kunna tidsbestämma partiklar som kommer från kollisionerna på några tiotals pikosekunder när. Jag vill också använda den för att mäta luminositeten, hur många kollisioner som sker, för det är viktigt att veta.

Komponenterna byggs i samarbete med stora företagslabb i Frankrike och Kina. Bland annat har en ny sorts kiselsensorer tagits fram.

– Här på KTH arbetar vi framförallt med utveckling av väldigt snabb databehandling.

Hela tiden dyker det upp nya problem som måste lösas. Det är det som gör jobbet så roligt, menar Jonas Strandberg.

– Det som är mest spännande med det vi gör, som att bygga den nya detektorn, är att det är så otroligt kreativt. Vi försöker göra något man inte har gjort tidigare med en ny teknologi och få det att fungera i den här väldigt komplicerade miljön i LHC. Den här kluriga biten tycker jag är superkul.

Text Susanne Rosén
Bild privat, Sara Strandberg, Magnus Bergström, ATLAS collaboration

 

Mer om Higgspartikeln

Den 4 juli 2012 släpptes världsnyheten att forskarna vid CERN, European Council for Nuclear Research, hittat en ny elementarpartikel. Det var den länge eftersökta Higgspartikeln eller Higgsbosonen som den kallas i fysikens Standardmodell, den kvantfältsteori som beskriver elementarpartiklarnas samspel i universum.

Higgsbosonen hör ihop med Higgsfältet som ger vissa elementarpartiklar sin massa. Teorin bakom Higgsbosonen skapades redan på 1960-talet av forskarna François Englert and Peter W. Higgs och 2013 fick de Nobelpriset i fysik, tack vare framgångarna i experimenten i partikelacceleratorn LHC i CERN.