Hypotetisk partikkelkalender: 19. desember – Toppkondensat

Hvilke partikler finnes i naturen? Vi vet om en hel del – men vi vet også at det må være flere igjen å finne. [Bilde: http://www.particlezoo.net]

Toppkondensat – har CERN blitt lurt av sosiale toppkvarker?

Vi vet i dag omtrent hvilke partikler naturen består av. Samtidig er det mange mysterier igjen å forstå, og flere av dem antyder at det finnes enda flere partikler der ute enn de vi har oppdaget hittil. Men hvilke? Hva slags egenskaper må de ha, hvordan kan de lages, og ikke minst hvordan kan de eventuelt oppdages? I den stille adventstid gir kollokvium deg en hypotetisk partikkel hver dag, og ser fremover mot de store oppdagelsene fysikere kan håpe å gjøre i årene som kommer.

I 1973 var partikkelfysikk fullt av uløste spørsmål. Man hadde bare identifisert tre kvarker – opp, ned og sær – men teoretikere hadde forutsagt en fjerde, sjarm. I tillegg hadde man sett oppførsel hos partiklene som bare ikke stemte med forventningene – de tyngre partiklene henfalt til lettere partikler på «gale» måter. Det måtte finnes noe mer i naturen – men hva?

Et forslag var at det kunne finnes en tredje generasjon kvarker, et par som etter hvert fikk navnene topp og bunn. Vi har tidligere i kalenderen sett at dette stemmer, men når forslaget kom i 1973 var det ganske revolusjonerende.

Sjarmkvarken ble oppdaget i 1974, og deretter bunnkvarken allerede i 1977. Man fant også en tredje generasjon leptoner (elektronet og det tyngre slektninger), så det var deretter opplagt at naturen har (minst) tre generasjoner av kvarker. Eller? I såfall burde man jo også finne toppkvarken, men denne viste seg som et hardere troll å lokke ut av esken.

Toppkvarken er kul. Men er den også sosial?

Toppkvarken er kul. Men er den også sosial?

Faktisk tok det atten år til, fra 1977 til 2005, før den endelig ble funnet og bekreftet. Det var maskinen TeVatron ved Fermilab i Chicago, og de to eksperimentene CDF og D0, som endelig sprakk boblen i hengoldsvis 2004 og 2005, og etter det var kvarkfamilien komplett. (Eller?)

Man skjønte med en gang hvorfor det hadde tatt så lang tid å finne topp: Den er blytung. Nesten bokstavelig talt. Et blyatom «veier» (i partikkelfysikk-enheter) noe over 200 GeV/c2 (gigaelektronvolt delt på lyshastigheten kvadrert – det blir faktisk en masseenhet, og 1GeV/c2 tilsvarer ca. 0.000000000000000000000000001 gram), mens toppkvarken viste seg å veie ca. 175 GeV/c2. Bunnkvarken, den nest tyngste, veier til sammenligning bare Y GeV/c2, og elektronet veier 0.000511 GeV/c2.

Toppkvarken er altså slett ikke hypotetisk lenger. Men: Hvorfor er den så tung? Har det noen konsekvenser i resten av teorien?

En mulig konsekvens, som man tenkte på alt lenge før toppkvarken selv ble oppdaget, var at den kunne lime seg fast til seg selv (eller snarere sin egen antipartikkel) og danne en tyngre sammensatt partikkel – et såkalt toppkondensat.

Og så kommer det kule: Dette toppkondensatet ble vist å ha nogenlunde samme egenskaper som Higgspartikkelen! Kunne små klumper av toppkvarker rett og slett være ansvarlig for massen til W- og Z-bosonene, slik man ellers trengte Higgs til?

Denne typen ideer og hypoteser blir en hel alternativ standardmodell. Man bruker ikke Higgs-feltet, og har dermed heller ingen Higgs-partikkel, men putter i steden inn et felt satt smmen av to eller flere toppkvarkfelt – og får ut omtrent de samme resultatene. Det ble til og med sagt at det nesten ikke vil være mulig å skille de to teoriene…

Så hva er det CERN nå har funnet? Higgspartikkelen eller et toppkondensat? Antakelig det første, for vi har ikke sett noen andre hint til at toppkondensatet skal kunne finnes. Men likevel bør det ligge slike spørsmål å gnage et sted bak i hodet på dem som nå jobber med fenomenologien på CERN. VET de virkelig hva de har funnet, eller kunne det være at vi egentlig studerer en helt annen partikkel som bare ligner på Higgs?

3 comments

  1. Martin Syvertsen · desember 19, 2012

    Hei.

    Tusen takk for en fantastisk Julekalender. Virkelig artig å få et lite innblikk i ideer og tanker som svirrer blandt elememtærpartikkelforskning. Har det snektet seg inn en liten trykkfeil her? Like under bildet av toppkvarkene står det at bunnkvarken har masse Y Gev/c2.

    Mvh, og God Jul,
    Martin

    • Bjørn H. Samset · desember 19, 2012

      Hei Martin,

      takk for tilbakemeldingen 🙂 Og ja, det var en manglende oppdatering i morges – hadde glemt å lagre siste runde redigering. Burde være OK nå. Takk for beskjed.

      mvh og god jul til deg også,
      Bjørn

  2. Treider · januar 12, 2013

    Står Y der fremdeles 🙂

Legg igjen en kommentar

Fyll inn i feltene under, eller klikk på et ikon for å logge inn:

WordPress.com-logo

Du kommenterer med bruk av din WordPress.com konto. Logg ut / Endre )

Twitter picture

Du kommenterer med bruk av din Twitter konto. Logg ut / Endre )

Facebookbilde

Du kommenterer med bruk av din Facebook konto. Logg ut / Endre )

Google+ photo

Du kommenterer med bruk av din Google+ konto. Logg ut / Endre )

Kobler til %s