Elementarpartikelfysik


Håkan Snellman



6. Framtidsperspektiv

Om vi studerar den historiska utvecklingen av fysiken och frågan om materiens struktur och naturkrafternas egenskaper, kan vi konstatera att ett genomgående tema är att söka förena alla krafter till ett fåtal, helst en enda kraft. Diagrammet i fig. 1.9 söker illustrera detta på ett enkelt sätt.



Fig. 1.9. Naturkrafternas förening.

Isaac Newton insåg att de krafter som fick en fast kropp att falla till marken och som styrde månens bana kring jorden och planeternas kring solen var en och densamma: gravitationskaften. Einstein förenade Newtons mekanik med Maxwells elektrodynamik i den speciella relativitetsteorin. I den allmänna relativitetsteorin modifierade han sedan Newtons gravitationsteori så att den kom i samklang med den speciella relativitetsteorin. James ClerkMaxwell fullbordade föreningen av teorierna för elektricitet och magnetism till en enhetlig elektromagnetism och fick på köpet med ljuset. I vår tid har man förenat elektrodynamiken med den svaga växelverkan i den s.k. elektrosvaga växelverkan. Detta arbete utfördes främst av S Glashow, A Salam och S Weinberg under 1960-talet. Ett avgörande bidrag gavs av holländarna Gerard 't Hooft och Martin Veltman, som bl.a. visade att den föreslagna teorin var "renormerbar", dvs på ett konsistent sätt gav ändliga resultat vid beräkningar till högre ordning i en utvecklingen av teorin i växelverkningens styrka. Arbetet har sedan varit inriktat på att försöka förena den elektrosvaga teorin med QCD. Detta har lett fram till de s.k. "Storförenade" teorierna. Den främsta kandidaten av dessa har varit en gaugeteori med SU(5) som symmetrigrupp. Den förutsäger i sin enklaste formulering att protonerna borde sönderfalla med en livstid på ca 1029-31 år. Den nuvarande undre gränsen för protonens livstid på 1032 år gör att denna version av storförenad teori inte längre är någon god kandidat.

En yttersta förening av alla krafterna till en enda kraft skulle ske om även gravitationskraften kunde förenas med de övriga. En sådan kandidat har dykt upp i den s.k. teorin för supersymmetriska strängar. Denna teori förenar också alla byggstenar, dvs kvarkar och leptoner, med gaugepartiklarna genom att införa en symmetri mellan fermioner och bosoner (supersymmetri). Supersträngarna är utsträckta objekt med en längd som svarar mot den s.k. Plancklängden , ett naturligt längdmått som ges av gravitationskraftens styrka och övriga naturkonstanter och som är 10-35m.

Supersträngarna har i en formulering en symmetri som ges av Liegruppen E(8)xE(8). Denna grupp har de viktiga grupperna SU(2) och SU(3)färg liksom U(1) som undergrupper.

Man kan fundera över om supersträngarna verkligen direkt bör vara de som bygger upp materien på nivå av kvarkar och gluoner, så som man försöker tolka den brutna symmetrin E(8)xE(8) nu. Från oss till protonen, vars utsträckning är 10-15m, har vi funnit fem olika nivåer av struktur. Mellan oss och Plancklängden, som är 10-35m, borde det finnas ytterligare minst fem-sex nivåer. Det är därför tvivelaktigt om det har någon mening att nu tolka den brutna symmetrin för supersträngarna som en teori för kvarkar och leptoner.

Teorin för supersträngar förutsäger att det borde finnas en ny mass-skala vid ca 1 TeV där supersymmetriska partiklar dyker upp. Man planerar därför en ny kolliderare för p,p i syfte att undersöka bl.a. detta. Det gäller en utbyggnad av LEP-ringarna vid CERN till en hadronkolliderare LHC (Large Hadron Collider). Den tillgängliga energin kan där bli 8+8 TeV.

Partikelfysiken har under de senaste decennierna även ingått ett intimt samarbete med astrofysiken och kosmologin. Detta har resulterat i teorin för Den Stora Smällen, the Big Bang, som utgör ett scenario för det fysiska universums skapelse och utveckling. Många viktiga frågeställningar inom partikelfysiken får sin belysning i denna teori.

En av de viktiga frågorna under senare år har varit att undersöka om kvarkar och gluoner genomgår en fasövergång innan de kondenserar i de färglösa hadronerna. Ett sådant tillstånd, ett kvark-gluonplasma, borde ha existerat när universum var mycket ungt och mycket hett. Kvark-gluonplasmat söker man nu återskapa i laboratoriet genom att skjuta mycket tunga atomkärnor mot varandra för att se om man vid mycket höga energitätheter kan eliminera "väggarna" mellan hadronerna och få en "säck" med mängder av kvarkar och gluoner i. Ännu så länge är signalerna från ett eventuellt sådant tillstånd oklara.

En anna fråga är om all materia i universum är av samma slag. Många tecken tyder på att universum har mer materia än den vi kan se som lysande materia i form av stjärnor och galaxer. Denna saknade materia brukar därför kalla mörk materia. Den skulle kunna utgöra så mycket som 90% av universums materia, och kanske är av ett slag som vi inte sett i våra laboratorier än.

Partikelfysiken har en mängd olösta problem som den lämnat efter sig i sökandet efter en minsta nivå: teorin för bundna tillstånd, instängningsmekanismen för gluoner och kvarkar, förening av krafterna etc. Men partikelfysik liksom all fysik är beroende av experimentella resultat. Studiet av materiens natur fortgår därför i takt med den experimentella situationens utveckling.


Tillbaks till

1. Inledning

2. Baryon- och leptontal

3. Hadronfysik

4. Symmetrier

5. Neutrinooscillationer


© Copywrite
H Snellman
KTH 1996