Inspirationsdagar för gymnasielärare – tema 1
Big Bang i universum och partikelkollisioner i acceleratorer
Nya tekniker och satelliter har förvandlat spekulativ kosmologi till en precis vetenskap om ett
universum med accelererande expansion och ett innehåll av mörk materia och mörk energi. Vi är mitt
inne i en spännande utveckling, där förståelsen av universum hänger nära samman med förståelsen
av dess minsta beståndsdelar, elementarpartiklarna, vilket har givit upphov till det nya forskningsområdet astropartikelfysik. Partikelfysikens forskningsfront vid CERN:s nya Large Hadron Collider
(LHC) ökar därigenom vår kunskap inte bara om elementära partiklar och krafter, utan även om
universums utveckling. Kollisioner av tunga atomkärnor förväntas skapa ett kvark-gluonplasma
liknande det som fanns under Big Bangs första sekunder. Kollisioner av protoner med rekordhög
energi kan skapa nya partiklar, till exempel teoretiskt förutsagda supersymmetriska partiklar, som kan
utgöra den mörka materien, och Higgspartiklar, som är kvanta för ett bakgrundsfält, som ger andra
partiklar deras massa. Sådana bakgrundsfält kan vara grunden för den mystiska mörka energin.
LHC och nya satelliter ger under de kommande åren kvalitativt nya data, som förväntas ge en
spännande fortsättning för detta forskningsfält, som här introduceras av aktiva forskare i de fyra
föredragen:
Från Big Bang till universums accelererande expansion
Rahman Amanullah, postdoktor, observationell astrofysik och kosmologi, Stockholms universitet
http://www.fysik.su.se/~rahman/
Genom moderna observationsmetoder kan mycket avlägsna supernovaexplosioner upptäckas och
studeras. Supernovaljuset används för att mäta avstånd i kosmos och har givit det överraskande
resultatet att universums expansionstakt accelererar. Detta kan i Einsteins allmänna relativitetsteori
beskrivas med en kosmologisk konstant – vars införande Einstein lär ha kallat sin största blunder. Det
som driver expansionen tycks vara en ny sorts energi, mörk energi, med märkliga egenskaper. Detta
leder till nya kosmologiska modeller, som utvecklas i takt med insamlandet av nya data, bland annat
genom nya observationer av supernovor och detaljer i den kosmiska bakgrundsstrålningen.
Mörk materia i universum
Joakim Edsjö, professor, Teoretisk fysik, Stockholms universitet
http://www.fysik.su.se/~edsjo/
Den andra "kopernikanska revolutionen" har inneburit att inte nog med att vi och vår jord inte är i
universums centrum – vi är inte ens uppbyggda av den sorts materia som dominerar i universum. Vår
etablerade kunskap om materiens minsta byggstenar, elementarpartiklarna, tycks bara kunna beskriva
ca 4 % av universums totala mass-energi. Resten utgörs av mörk materia och mörk energi. Den
mörka materien skulle kunna vara en ny sorts så kallade supersymmetriska partiklar, som förutsägs i
teorier som försöker förklara olösta problem i partikelfysikens standardmodell. Vad den än är, så finns
det antagligen stora mängder mörk materia i Vintergatan, frågan är bara hur vi ska kunna observera
den. Dessa frågor utforskas i astropartikelfysiken, både teoretiskt och experimentellt.
1(2)
Har Higgs-partikeln blivit upptäckt, och vad innebär det?
Gunnar Ingelman, professor i subatomär fysik, Uppsala universitet
http://katalog.uu.se/empInfo/?languageId=3&id=XX2581_1
Rikard Enberg, universitetslektor, Fysik och astronomi, Uppsala universitet
http://www.anst.uu.se/ren03009/
Den stora acceleratorn LHC vid CERN kolliderar strålar av protoner vid rekordhög energi, vilket gör att
nya tunga partiklar kan skapas på grund av E = mc2. Experimenten vid LHC är jättelika och uppbyggda av flera typer av nyutvecklade, högteknologiska detektorer, som byggts i stora internationella
samarbeten, där universiteten i Sverige bidrar med delar.
Den 4 juli 2012 meddelades från CERN att en ny partikel upptäckts av de två stora experimenten vid
LHC. Denna nya partikel har en massa på 126 GeV, vilket är ca 130 gånger mer än protonens, och
dess egenskaper verkar överensstämma med Higgs-bosonens – den hittills saknade partikel som
förutsägs i partikelfysikens standardmodell, och som är inblandad i hur partiklar har massa. Den nya
partikel som upptäckts är av en helt ny typ och öppnar nya perspektiv på fundamental fysik för
elementarpartiklar och Universums utveckling. Många tror att även så kallade supersymmetriska
partiklar – se ovan – kan komma att upptäckas, och i så fall kan deras egenskaper utforskas, och vi får
se om de kan fylla funktionen som mörk materia.
IceCube på sydpolen söker neutriner som kosmiska budbärare
Per Olof Hulth, professor i experimentell astropartikelfysik, Stockholms universitet
http://www.fysik.su.se/~hulth/
Efter astronomi som baseras på observationer av elektromagnetisk strålning i olika våglängdsområden
(synligt, radio, röntgen), öppnar sig en ny sorts astronomi, som bygger på detektion av neutriner från
olika tänkbara källor i kosmos. Dessa neutriner kan hjälpa oss att hitta de mystiska källorna för den
kosmiska strålningen – som upptäcktes för 100 år sedan – och ge oss information om vad den mörka
materien i universum består av. Neutriners svaga växelverkan med materien ger fördelen att de inte
störs på sin färd över kosmiska avstånd, men fordrar å andra sidan enorma detektorer för att ge en
rimlig sannolikhet att detekteras. Neutrinoteleskopet IceCube består av en kubikkilometer (!) sydpolsis
med en vikt av en miljard ton, instrumenterad med ljuskänsliga detektorer. Dessa kan fånga upp den
Cherenkovstrålning som bildas, när en högenergetisk neutrino växelverkar med isen. IceCubedetektorn är nu färdigbyggd och tar kontinuerligt emot data sedan våren 2011.
2(2)
