Institutionen för fysik och astronomi

Populärvetenskaplig presentation

Partikelfysiken beskriver naturens beståndsdelar som ett antal elementarpartiklar kallade kvarkar och leptoner. Dessa kvarkar och leptoner bygger upp all känd materia - protoner och neutroner, atomkärnor och atomer – och är de mest fundamentala (nu kända) byggstenarna i Universum. Inom partikelfysiken studerar man hur de växelverkar och krafterna som verkar mellan dem; dessa krafter kallas elektrosvag och stark växelverkan. Under de senaste fyrtio åren har en kvantmekanisk teori som kallas ”standardmodellen” utvecklats. Den beskriver hur kvarkarna och leptonerna växelverkar med varandra. Standardmodellen är en så kallad kvantfältteori, där krafterna beskrivs genom utbyte av fotoner, W- och Z-bosoner och gluoner.

Sammantaget är standardmodellen en fantastiskt framgångsrik teori – den har testats i mycket noggranna experiment och den har kunnat förutsäga en mängd fysikaliska processer. Trots detta vet vi att den kommer att bryta samman vid högre energier, och den lämnar många fundamentala frågor obesvarade: Hur får partiklarna sina massor? Varför balanseras protonens laddning exakt av elektronens, så att atomer blir neutrala? Hur uppstod asymmetrin mellan partiklar och antipartiklar i Universum? Är gravitation, stark och elektrosvag växelverkan manifestationer av en gemensam ”urkraft”? Finns det extra rumsdimensioner med liten utsträckning? Standardmodellen kan inte heller förklara mörk materia – det finns helt enkelt ingen partikel i standardmodellen som kan vara mörk materia-partikeln. Det finns också andra teoretiska problem med standardmodellen och de flesta fysiker tror därför att det finns en större teori som innehåller standardmodellen som en del-teori.

Det finns många olika idéer om vad man kan förvänta sig. Supersymmetri är nog den mest väletablerade utökningen. Den förutsäger att varje partikel har en mycket tung partikelpartner. Vid CERN i Genève har acceleratorn LHC nyligen upptäckt den eftersökta Higgsbosonen, och man hoppas att man med dess höga energi även ska kunna producera och observera nya okända partiklar som ska ge ledtrådar till vad den nya fysiken är.

För att kunna tolka observationerna krävs en omfattande forskning inom gränsområdet mellan teori och experiment. Precisa förutsägelser kan då göras av möjliga signaler, samtidigt som en tillräckligt god beskrivning av den kända fysiken nås för att signaler för ny fysik bortom Standardmodellen ska kunna vaskas fram ur de enorma datamängderna. Vår forskargrupp har expertis för denna utveckling av modeller och analysstrategier. En specialitet är att utveckla datorprogram som simulerar partikelkollisioner, komplett med de underliggande processerna på kvarknivå samt det resulterande sluttillståndet av observerbara partiklar. Detta är en kraftfull metod att göra noggranna jämförelser mellan teori och experiment och våra program används därför av partikelfysiker runt om i världen.

Även inom Standardmodellen finns olösta problem, främst gällande den starka kraften som beskrivs av en teori som kallas kvantkromodynamik, QCD. I partikelkollisioner bildar den starka kraften fält i form av strängar mellan de kvarkar och gluoner, som rör sig ut från kollisionerna. Genom ytterligare utbyte av gluoner kan topologin hos dessa sträng-fält ändras drastiskt, vilket leder till en annan fördelning av de observerbara partiklarna i sluttillståndet. Speciellt kan händelser inträffa där stora vinkelområden i partikeldetektorn blir helt tomma på partiklar. Dessa ”rapiditetsgap” har observerats i flera experiment och ges en enhetlig beskrivning i vår modell, vars teoretiska grund i QCD vi nu utforskar. 

Astropartikelfysik är en gren av fysiken som behandlar kopplingen mellan astrofysik och partikelfysik – det vill säga mellan de allra största fenomenen i universum och de allra minsta. Man studerar t.ex. våldsamma processer som supernovor, gammablixtar (gamma ray bursts på engelska) eller processer runt svarta hål, där man ofta har jets som strömmar ut från det kompakta svart hålet eller neutronstjärnan i dess centrum. I dessa processer tror man att fysikaliska processer kan skapa strålar av fotoner, neutriner och andra partiklar som vi kan detektera på jorden eller med satellitexperiment. Genom att detektera dessa kan vi lära oss om hur dessa mycket avlägsna system fungerar. Man studerar också den kosmiska strålning som hela tiden bombarderar jordklotet. Där har man detekterat partiklar med extremt höga energier, som man inte vet var de kommer ifrån, även om man tror att de kommer från de processer som nämnts ovan. Ett annat viktigt forskningsområde handlar om det mycket tidiga universum kort efter Big Bang.