Lite mer om Higgs

Higgs hit och Higgs dit. Alla tjatar om Higgs. Vi har hört det här nu. Orka bry sig!

Jo, visst. De flesta har väl fattat vid det här laget att man ”sett spår av Higgs” i de två stora experimenten vid LHC. Båda har ett överskott av händelser, vid massan 124 respektive 126 gigaelektronvolt (GeV, som det förkortas). Det ser ut som om det är där man skulle kunna upptäcka Higgspartikeln. Här kan man lyssna på vad de säger på vetenskapsradion om nyheten. Och Svenska Dagbladet har snygg grafik. Och Populär Astronomi har en intervju med Elin Bergeås Kuutmann (som skrev artikeln om mörk materia i senaste numret, det har jag redan nämnt här på bloggen).

Men det finns väl fler saker man skulle kunna berätta om och reda ut när det gäller det här. En del detaljer är ju lite svåra att förstå, i alla fall om man inte är van att tänka på sådana saker.

Jupp. Som det där med ”gigaelektronvolt”. Volt, det är väl elektrisk spänning? Varför mäter man massa i spänningsenheter?

Hmm. Ja, det är skillnad på volt och elektronvolt. En elektronvolt (förkortas eV) är den energi en elektron får om man accellererar den genom en spänning på en volt. Jämför det med den rörelseenergi ett föremål får när det faller i gravitationsfältet. Alla partiklar med elektrisk laddning påverkas som av kraften i ett elektriskt fält. (Själv hade jag i skolan lite svårt att förstå enheterna för elektrisk ström och spänning innan jag såg sambanden att Ampere = Coulomb / sekund, alltså ström är mängden laddning som passerar per sekund, och Volt = Joule / Coulomb, alltså att spänning är energi per laddningsenhet. Man kan lära sig mycket med dimensionsanalys!)

Den här energienheten är mer lagom stor när man pratar om materiens minsta byggstenar än enheter som kilogram, som är ofantligt mycket större. Massa och energi är ju ekvivalenta, och hör ihop genom det berömda sambandet E=mc². Om man tar den här energienheten eV och delar med c² får man en massenhet som är mer lagom stor. Partikelfysiker gör det här lite svårare att genomskåda eftersom de (vi) gärna använder ett system som kallas ”naturliga enheter”, där man helt enkelt sätter c=1 och ändrar skalan på alla andra enheter. Det är därför man ofta hör folk säga att ”elektronens massa är 511 keV” och liknande. Man gör det enkelt för sig genom att slippa släpa med det där c² genom alla beräkningar.

Sen kan man ju undra vad det är de ser egentligen. Du pratar om ”händelser”, vaddå för händelser? Och om man fångar en Higgspartikel i sin detektor, vet man då inte om det är en Higgspartikel eller inte? Hur kan fysikerna vara säkra på vad som händer över huvud taget, i den där apparaten?

Det man gör vid laboratoriet CERN är att man skickar protoner i en jättestor acceleratorring (det är LHC), en stråle i ena riktningen och en stråle i den andra riktningen. Sedan låter man dem kollidera inuti någon av de experimentuppställningar man byggt runt ringen. De två största är ATLAS och CMS. I kollisionen förintas protonerna, och en skur av andra partiklar kan bildas. Hela den där processen brukar kallas för en händelse. Man registrerar mängder med händelser, och varje händelse innehåller mängder med signaler från olika delar av detektorn. Signalerna ska sedan ”rekonstrueras” — man räknar ut vilka partiklar som har passerat för att ge upphov till just dessa signaler.

Higgspartikeln är inte stabil och sönderfaller direkt i kända partiklar. För att göra det ännu krångligare sönderfaller de också, och det man fångar upp är de mer långlivade partiklar som blir resultatet och lämnar signaler i detektorn.

Bild från CMS.

CMS har många fina bilder på sin informationssida om resultaten som rapporterades igår. Titta en bit ner på sidan, där finns länkar till animationer av ”händelser” och filmer som förklarar.

När man ser så många partiklar från en kollision kan det lätt hända att man råkar fånga upp en kombination som imiterar vad man borde se om en Higgspartikel har sönderfallit. Tittar man på en enskild händelse kan man alltså inte säga ifall det fanns en Higgspartikel där eller inte. Istället måste man räkna ut precis hur många händelser av en viss typ man förväntar sig utifrån standardmodellen, och leta efter ett överskott.

Higgspartikeln kan sönderfalla på lite olika sätt, och det kallar man för olika ”sönderfallskanaler”. De möjliga sönderfallen och hur många de borde bli beror på Higgspartikelns massa. Vi vet ju inte vilken massa Higgspartikeln har, och därför måste man undersöka hela spektrat av olika alternativ.

Här kan man se hur sannolikheten att Higgspartikeln ska sönderfalla på olika sätt förändras med massan. (Klicka på bilden för att komma till den interaktiva demon.)


Uppdatering: Nu funkar länken, nu kan man faktiskt klicka på bilden och komma till den interaktiva versionen.

När man lägger ihop resultaten kommer man fram till att man ser lite fler händelser som liknar Higgssönderfall än som kan förklaras med standardmodellens partiklar, vid energier som motsvarar en viss massa hos Higgspartikeln.

Eftersom man inte har sållat fram tillräckligt många händelser ännu kan man inte säga säkert att man vet att det måste till en Higgspartikel för att förklara det man sett. Man brukar prata statistikspråk om ”sigma” (grekiska bokstaven \sigma), som är måttet på en standardavvikelse. Lite slarvigt förklarat kan man säga att ju fler sigma desto säkrare är man på att det man sett inte kan förklaras med en vanlig slumpvariation, utan verkligen är en riktig effekt. Inom partikelfysiken kräver man 5\sigma för att tala om en upptäckt. Det betyder att man är till 99.99995% säker på att det inte är en tillfällighet att man sett en anhopning vid en viss energi, utan att man verkligen har något där som inte kommer att försvinna när man tittar mer noga.

Där är vi alltså inte ännu. Ett år till, så räknar man med att vara i mål. Men ATLAS resultat har en signifikans på ungefär tre sigma, vilket ändå kvalificerar det som en ”observation”.

Om åka

Fysiker, sf-fantast, allmän entusiast.
Det här inlägget postades i Uncategorized. Bokmärk permalänken.

3 kommentarer till Lite mer om Higgs

  1. lars ungernäs skriver:

    hej; undrar varför inte de s k supersymmetriska partklarna (inom ramen för SUSY) omnämns i alla reportagen om denna händelse; måste inte deras existens verifieras i LHC för att ”sanktionera” att 125 GeV – indikationen för Higgs ska (i slutändan) bli meningsfull som ”massförklarare”!?

    • åka skriver:

      Å, det här är snårigt och ingenting man går in på när man försöker rapportera på ett rakt och avgränsat sätt. Ifall vi har supersymmetri ska det i princip finnas (minst) fem olika Higgspartiklar, om jag inte minns fel. Jag hinner inte riktigt reda ut det här nu (måste natta barnen), men jag kan försöka återkomma med ett nytt inlägg om några dagar. Då hinner jag friska upp minnet lite också, så att jag kan förklara ordentligt.

    • åka skriver:

      Jo, en sak till: en anledning till att man inte nämner några supersymmetriska partiklar är att den analys som presenteras i princip är inriktad på att hitta Higgs och inget annat, och dessutom en specifik form av Higgspartikel som brukar kallas ”standardmodellhiggs”.

Kommentera

Fyll i dina uppgifter nedan eller klicka på en ikon för att logga in:

WordPress.com Logo

Du kommenterar med ditt WordPress.com-konto. Logga ut / Ändra )

Twitter-bild

Du kommenterar med ditt Twitter-konto. Logga ut / Ändra )

Facebook-foto

Du kommenterar med ditt Facebook-konto. Logga ut / Ändra )

Google+ photo

Du kommenterar med ditt Google+-konto. Logga ut / Ändra )

Ansluter till %s