8.3 Moderne fysikkforskning

Fysikkens uoppdagede land

Selv om grunnlovene — Newtons mekanikk, Maxwells elektromagnetisme, Einsteins relativitet — har stått støtt i over hundre år, er fysikken langt fra ferdig. Forskere over hele verden flytter stadig grensene, fra de minste subatomære partiklene til hele universet. I dette kapittelet tar vi en tur gjennom noen av de mest spennende forskningsfrontene i moderne fysikk og ser hvordan de henger sammen med alt du har lært i kurset: partikkelfysikk og Standardmodellen, det enorme CERN-laboratoriet, kosmologi og mørk materie, og de nyoppdagede gravitasjonsbølgene.

Partikkelfysikk, Standardmodellen og Higgs

Partikkelfysikk handler om naturens mest fundamentale byggesteiner. Gjennom 1900-tallet oppdaget man at atomet har en rik indre struktur, og dette ble samlet i Standardmodellen, utviklet på 1960- og 70-tallet. Den klassifiserer alle kjente elementærpartikler. Det finnes seks kvarker i tre generasjoner (opp, ned, sjarm, sær, topp, bunn) — byggesteinene i protoner og nøytroner. Et proton er $uud$ (to opp, én ned), et nøytron $udd$. Det finnes også seks leptoner, inkludert elektronet og nøytrinoene, som ikke påvirkes av den sterke kjernekraften. Kreftene formidles av kraftbærere: fotonet (elektromagnetisme), W- og Z-bosonene (svak kraft) og gluonene (sterk kraft). Standardmodellen beskriver tre av de fire fundamentale kreftene — alle bortsett fra gravitasjon.

Den siste brikken var Higgs-bosonet, teoretisk forutsagt i 1964 av Peter Higgs og andre. Det er knyttet til Higgs-feltet, som gjennomstrømmer hele universet og gir partiklene masse. Uten det ville alle partikler vært masseløse og fart av gårde med lyshastigheten. Den $4.$ juli 2012 annonserte CERN at de hadde funnet en ny partikkel med masse rundt $125$ GeV/c², forenlig med Higgs-bosonet. Higgs og François Englert fikk Nobelprisen i 2013. Higgs-bosonet er om lag $133$ ganger tyngre enn protonet ($0{,}938$ GeV/c²).

CERN, kosmologi og mørk materie

Verdens største partikkelfysikklaboratorium er CERN ved Genève, grunnlagt i 1954, der Norge er medlem. Hjertet er Large Hadron Collider (LHC), en sirkelformet tunnel med $27$ km omkrets, $100$ m under bakken. Her akselereres protoner til $99{,}9999991\%$ av lyshastigheten og kollideres frontalt med energier opp til $13{,}6$ TeV. De supraledende magnetene holdes ved $1{,}9$ K — kaldere enn verdensrommet — og gir felt på $8{,}3$ T. Det skjer rundt $600$ millioner kollisjoner per sekund, og dataene filtreres fra en petabyte i sekundet ned til det vesentlige.

På den andre enden av skalaen studerer kosmologien hele universet. Den rådende modellen er Big Bang: universet startet for cirka $13{,}8$ milliarder år siden fra en ekstremt varm, tett tilstand og har ekspandert siden. Tre observasjoner støtter dette: Hubbles lov ($v = H_0 d$) viser at galakser fjerner seg jo lenger unna de er; den kosmiske bakgrunnsstrålingen på $2{,}725$ K er et etterglød fra Big Bang; og mengdene av hydrogen, helium og litium stemmer med Big Bang-nukleosyntesen. Men det finnes store mysterier: galakser roterer raskere enn den synlige massen tilsier, noe som tyder på usynlig mørk materie, og universets ekspansjon akselererer, drevet av en ukjent mørk energi. Sammen utgjør disse to det meste av universets innhold — og vi vet ennå ikke hva de er.

Gravitasjonsbølger og fremtidens fysikk

I 1916 forutsa Einstein at akselererte masser skaper krusninger i rom-tiden — gravitasjonsbølger — som brer seg med lyshastigheten. I nesten hundre år var de umulige å måle. Men den $14.$ september 2015 fanget LIGO dem opp for første gang, fra to svarte hull som kolliderte $1{,}3$ milliarder lysår unna. Det ga Nobelprisen i 2017. LIGO er et gigantisk Michelson-interferometer med $4$ km lange armer: en laser splittes, sendes langs armene, reflekteres og rekombineres. En gravitasjonsbølge endrer armlengden med ufattelige $10^{-18}$ m — en tusendel av en protondiameter, en relativ endring $\Delta L/L = 10^{-18}/4000 = 2{,}5\times 10^{-22}$. Det er en av de mest presise målingene menneskeheten har gjort.

Fysikken har fortsatt store ubesvarte spørsmål: Hva er mørk materie og mørk energi? Hvordan forener vi kvantemekanikk og gravitasjon? Hvorfor er det mer materie enn antimaterie? Hva skjer inni et svart hull? Kandidatteorier som strengteori foreslår at de fundamentale byggesteinene ikke er punktpartikler, men bittesmå vibrerende strenger på Planck-lengden ($10^{-35}$ m), og krever ekstra romlige dimensjoner. Det fine er at all denne forskningen bygger direkte på det du har lært: mekanikk gir himmelmekanikk og gravitasjonsbølger, elektromagnetisme gir akseleratorfysikk, kvantefysikk gir partikkelfysikk, og relativitet gir kosmologi og GPS-korreksjoner. Norge har en stolt tradisjon, fra Kristian Birkelands nordlysforskning til dagens CERN-deltakelse.

Oppsummering

Moderne fysikk utforsker grensene fra det minste til det største. Standardmodellen beskriver alle kjente partikler — seks kvarker, seks leptoner, kraftbærere og Higgs-bosonet (funnet 2012), som gir masse. CERN og LHC kolliderer protoner ved nesten lyshastighet for å studere dette. Kosmologien bygger på Big Bang (bevist av bakgrunnsstråling, Hubbles lov, grunnstoffer), men sliter med mysteriene mørk materie og mørk energi. Gravitasjonsbølger ble detektert av LIGO i 2015. Store spørsmål gjenstår — strengteori er én kandidat til å forene kvantemekanikk og gravitasjon. All forskningen bygger direkte videre på kursets temaer.