Higgspartikeln – en Riksdagsfråga

Turerna kring förutsägelsen och upptäckten av Higgspartikeln, eller Higgs boson som den snarare heter, är många (här hittar läsaren en mer omfattande artikeln om Higgspartikeln och vad den innebär). Kanske alltför många. Higgs boson tycks ha förmåga att egga fantasin hos ett stort antal människor, även sådana som normalt inte är intresserade av fysik. Något som bidragit till fascinationen kan vara att nobelpristagaren i fysik, Leon Lederman, kallar Higgspartikeln för ”Gudspartikeln” i sin bok The God Particle: If the Universe Is the Answer, What Is the Question? (Gudspartikeln: Om Universum Är Svaret, Vad Är Då Frågan?), Dell Publishing, 1993. Egentligen ville Lederman kalla boken (och partikeln) för The Goddamn Particle (Den förbaskade Partikeln), bl a på grund av att den hade gäckat fysikerna i så många år. Förlaget tillät dock inte denna titel, eftersom de inte ville ha svärord i sina boktitlar. Då ändrade Lederman namnet till The God Particle utan att tänka på alla konspirationsälskare och andra knäppskallar, vilka älskar att bygga upp hela läror kring sådana här saker. I efterhand har han beklagat sin obetänksamhet. Men då var ju skadan redan skedd.

En del ateister har gjort stor sak av Ledermans olyckliga ordval och tolkat det som att upptäckten av Higgspartikeln bevisar att det inte finns någon Gud. Ingenting kunde vara mer fel. Partikeln förutsades av flera forskare samtidigt, bl a Peter Higgs, som fått ge namn till den, och för ett drygt år sedan så bevisades dess existens vid det stora partikelforskningscentret i Genève, kallat CERN (fortfarande återstår en del frågeställningar och man har såvitt jag vet ännu inte lyckats visa att den nyupptäckta partikeln uppfyller alla de egenskaper som Higgs m fl förutsagt att den skall ha).

Förutsägelsen och observationen av Higgspartikeln är en stor triumf för både teoretisk och experimentell fysik. Men någon direkt relevans för Guds existens och andra metafysiska frågeställningar har den inte (jag skriver närmare om detta i min längre artikel som jag länkar till ovan). Och att den skulle motbevisa Guds existens är så fel som det bara kan bli. Snarare utgör turerna kring Higgspartikeln ett indirekt argument för att det bakom universum finns en överlägsen Intelligens. Den abstrakta matematik, som användes för att förutsäga Higgspartikeln (och många andra redan upptäckta partiklar) har inte någon som helst koppling till den atomära verkligheten, utan kan mer betraktas som en lek med symboler, där vi själva uppfunnit både spelreglerna och symbolerna. Att man med hjälp av sådan matematik kan förutsäga existensen av, och egenskaper hos, atomära partiklar, utgör ett starkt indicium för att universum är matematiskt till sin själva natur. Det finns ingen som helst anledning att förvänta sig att ett slumpgenererat universum skulle ha sådana egenskaper. Däremot förväntar vi oss att ett universum, som är designat av en Intelligens, uppvisar tecken på en rationell uppbyggnad, och att detta universum kan analyseras och göras förståeligt med logik och matematik.

Den 26/7 2013 ställde Riksdagsman Peter Persson (S), med anledning av Higgspartikelns upptäckt, en fråga till utbildningsminister Jan Björklund (hela frågan kan läsas här). Han skriver:

Genom den så kallade Higgspartikeln har ännu ett avgörande steg tagits mot ett vetenskapligt bevis på att Gud inte existerar och har skapat universum. Likaså får det väl ändå anses vetenskapligt bevisat att människan inte har någon osynlig ”själ” och att det inte finns något liv efter detta.

Religiös tro handlar alltså numera bara om att tron är en utgångspunkt för moraluppfattningar och social gemenskap. I sak är de religiösa skrifterna som Bibeln och Koranen berättelser utan något som helst förklaringsvärde i fråga om vetenskapliga företeelser.

Kyrkan har historiskt kontrollerat undervisningen för att upprätthålla sina ovetenskapliga trosföreställningar och dogmer. Sekulariseringen bör nu slutföras, och samhället och skolan bör bli fullständigt neutrala i förhållande till individernas trosuppfattningar.

Det som behandlas under ämnet religionskunskap bör överföras till andra ämnen, till exempel historia och samhällskunskap samt på gymnasienivå filosofi. De timmar som på så sätt frigörs bör tillföras naturvetenskapliga ämnen.

Genom vilka åtgärder och insatser vill statsrådet krympa ”Gudsundervisningen” i skolan till förmån för ”Higgsundervisning”?

Det Persson skriver är rent nonsens. En radda av ord som egentligen inte betyder något. Men det är intressant att se hur en del ateister resonerar. Persson är uppenbarligen inte vetenskapligt skolad, men då skall man kanske vara lite mer försiktig när man drar växlar på vetenskap. Nu fick han inte någon respons för sitt förslag och jag tror han tappade ganska mycket förtroende från många kollegor i Riksdagen. Men hans inlaga visar hur ateister kämpar med näbbar och klor mot Gudstron. Och den visar också vilka usla argument många ateister kommer med. Vill man kritisera kristendomen finns bättre argument, som t ex hur Guds godhet tycks vara oförenlig med det enorma lidandet i världen. Det är ett problem som även många djupt troende kristna brottas med (mer om detta finns att läsa här).

Hat och ideologi och religion kan förblinda människor. Även som kristen måste man se upp med detta. Har man en stark tro, oberoende av vad man tror på, så ligger det nära till hands att tolka verkligheten utifrån denna tro och försöka pressa in verkligheten i sin egen världsbild. Här kan vissa religioner och ideologier ha större problem än andra. Som jag ser det så leder inte sann kristendom (den kristendom som förmedlas till oss av Jesu ord och apostlarnas skrifter, vilket har föga att göra med den tro som t ex Svenska Kyrkans ledningar förmedlar) till att man låser in sig i ett slutet rum. Det faktum att vetenskapen utvecklats så enormt i den judisk-kristna kultursfären, visar att man mycket väl kan förena sin Gudstro med en objektiv och realistisk syn på verkligheten. Sedan kan ju allt missbrukas och bli sekterism, men det är annan historia. Sekterister finns det gott om även i ateisternas läger.

Higgspartikeln än en gång

Igår tillkännagavs att Nobelpriset i fysik 2013 inte helt oväntat tilldelas de två fysikerna Francois Englert (Belgien) och Peter Higgs (UK) för deras förutsägelse av Higgspartikelns existens (de gjorde sina upptäckter oberoende av varandra). Att årets pris kom att handla om denna partikel, beror på att dess existens verifierades experimentellt för drygt ett år sedan. För den som vill veta mer om Higgspartikeln har jag skrivit en ganska lång och uttömmande artikel i ämnet.

Jag kan också berätta att Englert är överlevare från Förintelsen medan Peter Higgs tillhör den sorgliga skara brittiska akademiker som bojkottar Israel. Jag kan i sammanhanget nämna att två av Adolf Hitlers främsta supporters var nobelpristagare i fysik – Johannes Starck och Philipp Lenard. Logisk och matematisk intelligens har uppenbarligen föga att göra med vare sig verklig förståelse av den totala verkligheten eller hög moral. Det gör mig genuint ledsen att en så duktig fysiker som Higgs samtidigt är politisk idiot. Men han är väl, som så många andra intellektuella britter, offer för det jag brukare kalla "Lawrence-av-Arabien-syndromet" (en kombination av islamofili och antisemitism, den senare maskerad som antisionism).

RÄTTELSE:Det tycks som att det jag skriver ovan om Peter Higgs möjligen inte stämmer helt. Han har visserligen uttryckt kritik mot Israel och vägrade, av politiska skäl, att komma till en vetenskaplig konferens i Israel 2004 (vilket jag inte har problem med – självklart har man rätt att vara kritisk till Israels politik och även visa detta i handling), men det verkar oklart om i vad mån han verkligen stöder vissa brittiska akademikers bojkott av israeliska akademiker (som jag verkligen ifrågasätter och misstänker snarare bottnar i antisemitism än omtanke om det palestinska folket). Higg tycks i varje fall inte driva frågan om bojkott mot Israel speciellt hårt. Så möjligen är inte Higgs politisk idiot, kanske snarare politisk baby (Einstein, som visserligen var oerhört proisraelisk, var i många andra avseenden oerhört naiv när det gällde politik – logisk begåvningen innebär inte automatiskt att man förstår politik, eftersom politik involverar människan, vars handlingar inte kan förklaras med enbart logik).

Slutligen kan nämnas att årets kemipris går till 3 judiska forskare, varav 2 är israeliska medborgare. Apropå min hemsidesartikel om judiska respektive muslimska nobelpristagare. Det tycks som att israeliska forskare hävdar sig väl trots att de motarbetas i diverse olika sammanhang.

Higgspartikeln – dagens stora nyhet

(I vanlig ordning har jag lyckats skriva en lång artikel. Men det blir bara så. Sorry! Fast jag vet inte vad jag skulle ta bort nedan. Om läsaren skall ha en chans att något så när förstå innebörden av Higgspartikeln måste man ge en tillräcklig bakgrund. Den som tycker det är för långt kan nöja sig med att läsa slutet. Men då missar man mycket.)

Ett par av mina läsare har under de senaste dagarna mailat mig och bett att jag skall skriva något om Higgspartikeln. Upptäckten av denna partikel har ju varit den stora nyheten de senaste dagarna. Ibland har tidningarna kallat den ”Gudspartikeln” för att ytterligare dramatisera det hela.

Det är egentligen ganska intressant att upptäckten av en elementarpartikel kan ge upphov till stora rubriker i vanliga dagstidningar. Normalt brukar inte allmänheten intressera sig speciellt mycket för sådana här intrikata detaljer. Man kanske kan se det som positivt, att vanliga människor tycks ha ett visst intresse för naturvetenskapens fundamentala frågor.

Jag har för ett antal år sedan skrivit en universitetslärobok i fysik (Den moderna fysikens grunder – från mikrokosmos till makrokosmos, utgiven på Studentlitteratur 1995), som tar upp speciell relativitetsteori, kvantmekanik och partikelfysik. Där diskuterar jag bl a Higgspartikeln. Så när jag skriver föreliggande artikel kan man kanske säga att jag har en viss sakkunskap.

Risken med att populärt försöka förklara svåra vetenskapliga teorier är att det ofta blir mer fel än rätt (speciellt om man inte ger en tillräcklig bakgrund). Mycket av populärvetenskapen gränsar till rent lurendrejeri. Förklaringarna som ges är så förenklade att det kanske varit bättre att man aldrig tagit del av dem. Då hade man åtminstone vetat att man inte vet. Problemet är att det enda språk, som fullt ut kan uttrycka den atomära världens egenskaper, är matematikens. Så fort man försöker beskriva denna värld med ”vanliga ord” uppstår paradoxer och andra begreppsmässiga problem (bl a beroende på att vardagslivets språk inte är lika exakt som vetenskapens, där varje begrepp är exakt definierat). Men oavsett allt detta, skall jag i alla fall försöka att ge en idé om vad Higgspartikeln är och vad dess eventuella upptäckt innebär.

Först en nödvändig bakgrund. 1897 upptäcktes den första atomära partikeln (sådana partiklar kallas också elementarpartiklar – detta namn är dock missvisande, eftersom det antyder att partiklarna inte går att dela upp i mindre enheter, vilket vi idag vet inte stämmer) av den engelske fysikern J J Thomson. Hans analys av det experiment han gjorde, visade att de observerade partiklarna, som så småningom kom att kallas elektroner, var negativt elektriskt laddade och med all sannolikhet hade mycket liten massa.

Så småningom upptäcktes den positivt laddade protonen (egentligen hade man observerat den redan 1886, men förstod då inte vad det var man observerade), som har ca 2000 gånger större massa än elektronen, men lika stor (fast motsatt) elektrisk laddning (protonen är alltså positivt laddad). Man gissade att dessa partiklar på något sätt byggde upp atomerna, men förstod inte hur. Genom kombination av experiment och teoretiska beräkningar kom man så småningom fram till den moderna atommodellen (flera forskare var involverade, bl a Ernest Rutherford och Niels Bohr), enligt vilken elektronerna kretsar i cirkulära eller elliptiska banor kring protonen eller protonerna (atomkärnan). Ganska snart insåg man att det måste finnas en ytterligare partikel i atomkärnan, som var elektriskt neutral och hade ungefär samma massa som protonen. Den kom att kallas neutron. Elektronen och protonen var lätta att observera, eftersom de var elektriskt laddade och därmed lämnade spår efter sig i olika detektorer (dimkammare etc). Att bevisa neutronens existens var betydligt svårare, eftersom en neutral partikel inte kunde observeras direkt vid den här tiden, och det dröjde ända till 1932 innan neutronens existens ansågs bevisad.

Aldrig någonsin tidigare hade man haft en så enkel och tillfredsställande modell för all materia. Alla kemiska föreningar (det finns nästan oändligt många sådana, t ex så har varje individ av djur och växter – om de inte är klonade – sin egen DNA-molekyl) kan förklaras som kombinationer av atomer tillhörande ca 100 olika grundämnen (väte, syre, järn, kol etc – vatten består t ex av två väteatomer bundna till en syreatom). Detta visste man redan 1869. Upptäckten att dessa ca 100 grundämnen i sin tur var uppbyggda av endast tre olika byggstenar kändes som en enorm triumf för vetenskapen. Tyvärr visade det sig så småningom att allt inte var riktigt så enkelt, vilket vi strax återkommer till.

En normal väteatom består av en kärna, innehållande en proton, samt en elektron som kretsar kring denna proton. En heliumatom består i sin tur av två protoner och två neutroner i kärnan och två elektroner som kretsar kring denna. Nästa grundämne, litium, innehåller i sin vanligaste variant tre protoner och 4 neutroner i kärnan med tre elektroner kretsande kring denna. Och så fortsätter det. Kolatomens kärna innehåller 6 protoner och 6 neutroner och kring kärnan kretsar 6 elektroner. Blyatomen har i sin vanligaste form 82 protoner och 126 neutroner i kärnan. Kring denna kretsar 82 elektroner i olika banor. Etc, etc.

Ovanstående atommodell, där atomen påminner om ett litet solsystem, ligger egentligen långt från sanningen. I själva verket är det mycket mer komplext än vad som framgår ovan, men modellen ger ändå en viss bakgrund till det följande. Under de första årtiondena av 1900-talet så trodde man verkligen att atomen var som ett solsystem i miniatyr. Det fanns till och med de som funderade över om kanske vårt solsystem helt enkelt var en atom i en jättes kropp och atomerna i våra kroppar var solsystem i vilka myriader av levande organismer levde, och att detta kanske fortsatte i all oändlighet utåt och inåt.

Eftersom protonen och neutronen väger ca 2000 gånger mer än elektronen, bestäms atomens massa nästan helt av antalet protoner och neutroner. Proton och neutron har ungefärlig atomvikt lika med 1 (enligt definition). Vanligt väte har således atomvikt 1 (en proton) medan helium har atomvikt 4 (2 protoner och 2 neutroner), litium 7, kol 12 och bly 208 (jag avser då de litium- respektive blyvarianter som nämnts i förra stycket)

Alla atomer är i sitt fria tillstånd elektriskt neutrala, eftersom de innehåller lika många elektroner som protoner, vilka har lika stor och motsatt laddning (som tar ut varandra). Tillsätter man en (eller flera) extra elektron(er), eller tar bort en eller flera elektroner, blir atomen elektriskt laddad och kallas jon. Sådana förekommer bl a i samband med vissa typer av kemiska föreningar.

Det som bestämmer ett ämnes kemiska egenskaper är antalet elektroner i skalet (som är lika med antalet protoner i kärnan). Alla ämnen med samma antal elektroner har samma kemiska egenskaper. Detta beror på att det endast är elektronskalen som deltar i kemiska reaktioner. Antalet neutroner i kärnan påverkar inte de kemiska egenskaperna. Detta antal kan variera för ett och samma ämne. Olika varianter av samma grundämne (där atomvikten skiljer sig åt genom att antalet neutroner varierar, medan alla varianter har samma antal protoner och elektroner) kallas isotoper. Det finns t ex två tyngre väteatomer. I den första, kallad deuterium, består kärnan av en proton och en neutron, vilket ger atomvikt 2. Väte har en ytterligare isotop, tritium, som har en proton och 2 neutroner i kärnan, dvs atomvikten 3. En viss procent av allt väte i naturen är deuterium och en ännu mindre procent är tritium. Vatten består som bekant av två väte- och en syreatom (H₂O). Genom centrifugering kan man isolera de vattenmolekyler som innehåller de tunga väteisotoperna. Sådant vatten kallas tungt vatten, eftersom detta har högre densitet än vanligt vatten, och är viktigt i kärnkraftssammanhang.

Tyngre isotoper av grundämnen är ofta instabila och sönderfaller med halveringstider som ligger mellan bråkdelar av sekunder och miljarder år. Ett exempel är kol-14, som har två extra neutroner i kärnan (dvs 6 protoner och 8 neutroner lika med atomvikt 14). Halveringstiden för kol-14 är ca 5700 år, vilket innebär att hälften av kol-14-atomerna i ett preparat sönderfaller på 5700 år. Kol-14-metoden är som bekant en viktig dateringsmetod.

Elektronen, protonen och neutronen tycktes kunna förklara alla existerande grundämnen och därmed ge en fullständig förklaring till all materia. Så småningom insåg man emellertid att det måste finnas ytterligare partiklar.

Elektronerna hålls kvar i sina banor av elektrisk attraktion mellan elektron och atomkärna (precis som att månen hålls kvar i sin bana kring jorden genom gravitation). Olika laddningar attraherar ju varandra (elektronen är negativ, protonen positiv).

Det visade sig vara svårare att förklara hur en atomkärna kunde hålla ihop. Den består av neutrala neutroner och positiva protoner. Varför drev inte neutronerna bort från kärnan, om de inte hölls kvar av någon kraft? Gravitationen kunde inte vara förklaringen, eftersom den är så svag att den inte spelar någon roll i atomära sammanhang. Och varför for inte protonerna i kärnan iväg från varandra med våldsam fart? De är ju positiva och lika laddningar repellerar varandra. Och eftersom protonerna i kärnan ligger mycket nära varandra, blir denna repulsiva kraft oerhört stark. Man insåg så småningom att det måste finnas en ytterligare kraft i verksamhet, som man kom att kalla stark kraft. Den var starkare än den elektriska repulsionen i kärnan och kunde då hålla ihop denna. Man förstod att denna kraft endast verkade på mycket korta avstånd och att den inte verkade på elektroner, utan bara på protoner och neutroner (idag vet vi att den verkar på många flera partiklar – de partiklar som påverkas av den starka kraften kallas hadroner).

För att denna kraft skulle fungera, måste det finnas en ytterligare partikel, som man kom att kalla för pi-meson (meson betyder mellanviktare, eftersom den hade en förutsagd massa som låg mellan elektron och proton). Pi-mesonens existens bevisades 1936, ett år efter att den förutsagts, genom observationer av kosmisk strålning. Äntligen tycktes det som att man hade en heltäckande förklaring till atomerna.

Till en början kunde man endast framställa ett fåtal partiklar (som elektron, proton och några till) genom olika apparater. Man var därför begränsad till att passivt observera bl a kosmisk strålning för att upptäcka nya partiklar. Det besvärande var att man nu upptäckte fler och fler partiklar, som inte verkade behövas för att förklara materian. När man på 1940-talet började konstruera de första acceleratorerna för att framställa partiklar (cyklotronen), ökade det kända antalet elementarpartiklar snabbt. Och inga av dessa verkade ha någon funktion annat än att förvilla fysikerna. Någon lär till och med ha sagt att ”förr fick man nobelpris när man upptäckte en ny partikel, nu för tiden borde man få böta i stället”.

Runt 1960 kände man till ungefär 250 partiklar, varav bara en handfull behövdes för att förklara den atomära världen. 1961 gjorde den genialiske partikelfysikern Murray Gell-Mann en viktig upptäckt. Gell-Mann visade att alla de kända partiklarna kunde ordnas i olika ”familjer” med hjälp av en abstrakt matematisk teori, som kallas gruppteori (Gell-Mann kallade sin modell för ”den åttafaldiga vägen”, vilket ger associationer till buddhism och new age – i efterhand har Gell-Mann beklagat att han använde detta namn). Gruppteorin formulerades i början av 1800-talet av en ung fransk matematiker. Evariste Galois. som dog endast 20 år gammal i en duell.

Att man i efterhand kan ordna redan kända partiklar enligt någon viss modell eller teori, är i sig inte så anmärkningsvärt. Man kan alltid i efterhand anpassa en teori så att den stämmer in på nästan vilka observationer som helst. Men det fantastiska var att Gell-Mann, med hjälp av Galois gruppteori, kunde förutsäga existensen av en ny, okänd partikel, som han kallade Omega-minus. Han kunde till och med, utifrån gruppteorin, ange vilken massa och laddning (och flera ytterligare egenskaper) den nya partikeln måste ha. Han kunde också ge riktlinjer för ett experiment som skulle kunna framställa Omega-minuspartiklar (om de existerade).

Detta experiment utfördes i januari 1964 och bekräftade Gell-Manns förutsägelse. Den funna partikeln hade, inom mätnogrannheten, den massa, laddning etc, som den skulle ha enligt Gell-Mann. Detta var en fantastisk triumf för den teoretiska fysiken och utgjorde ett mycket starkt stöd för Gell-Manns teori.

Med en mycket abstrakt matematisk teori, formulerad i början av 1800-talet, och som inte innehöll några kunskaper om den atomära världen, kunde man således 150 år senare ordna alla kända elementarpartiklar i olika grupper, och som en följd av detta förutsäga existensen av ytterligare en partikel, som också visade sig existera och ha de förutsagda egenskaperna. För mig är detta ett mycket starkt bevis för att verkligheten är matematisk till sin själva natur, vilket i förlängningen utgör ett indicium för existensen av en Intelligens bakom vårt universum. Det är av sådana skäl som så många fysiker tror på en Designer. Einstein talade i många sammanhang om att det bakom vårt universum måste finnas ett överlägset intellekt.

Låt oss nu återvända till Higgspartikeln. Förutom att det finns materia och energi (vilka är kopplade till varandra genom Einsteins berömda formel E=mc²) så finns också naturkrafter, genom vilka materia och energi växelverkar. Vi känner idag till fyra naturkrafter; stark kraft, elektrisk (elektromagnetisk) kraft, svag kraft och gravitation. Den starka kraften verkar i atomkärnans inre (jag förenklar lite, eftersom föreliggande artikel annars skulle bli på 100 sidor) och håller ihop kärnan. Den elektriska kraften är ca 100 gånger svagare än den starka, och är den kraft som håller kvar elektronerna runt kärnan (plus att den också är verksam vid kemiska bindningar och dessutom i vissa fall direkt iakttagbar genom våra sinnen – t ex åskväder, elmotorer etc). Kemiska reaktioner innefattar, som nämnts ovan, bara elektronskalen (dvs elektrisk kraft), medan kärnkraft innebär processer i atomkärnan. Att man får så mycket mer energi genom kärnkraft än genom kemiska processer (t ex bilmotorn) beror på att den starka kraften är så oerhört mycket starkare än den elektriska.

Den svaga kraften är verksam vid vissa typer av radioaktivt sönderfall medan gravitationen endast är märkbar vid mycket stora massor (astronomiska proportioner). Den sistnämnda är tio upphöjt till 40 gånger svagare än den starka kraften (0,0000…totalt 39 nollor…01).

Tidigare talade man om elektriska, magnetiska etc fält. Det var fälten som åstadkom de olika krafterna. Detta var egentligen bara ett sätt att maskera vår okunnighet. Den stora frågan var, hur vet t ex en magnet att det finns en annan magnet i närheten? Det måste den ju veta för att attraheras eller repelleras. Magneterna måste på något sätt tala om för varandra att de finns och hur starka de är. Idag vet vi att dessa krafter utbyts genom kraftpartiklar. En elektriskt laddad partikel som protonen sänder hela tiden ut kraftpartiklar som påverkar andra elektriskt laddade objekt.

En enkel liknelse (som inte är helt korrekt men ändå ger en känsla för det hela) är två personer i varsin roddbåt, ca 10 m från varandra. Båda står vända mot varandra. Den ena personen har en tung boll, som han/hon kastar mot personen i andra båten. Kastarens båt kommer då att röra sig bakåt på grund av rekylen från bollkastet. När den andra personen tar emot bollen, kommer han/hon, på grund av bollens tröghet, att röra sig bakåt, dvs båtarna rör sig bort från varandra (repulsion). Ju tyngre boll, desto starkare blir denna effekt. Den här modellen, där kraft överförs genom ”partiklar” (bollar) kan bara förklara repulsion, men som sagt, det är bara en enkel modell och inte hela sanningen.

Förutom dessa 4 naturkrafter finns inga andra krafter i universum. Om jag binder ett rep runt dig och drar i det, är den elektriska kraften förklaringen till det som sker. Atomerna i repet hålls ihop av elektrisk kraft, som utövar dragkraften. Om jag tar någon i hand, är det den elektriska kraften som är aktiv. Atomerna i våra händer nuddar aldrig varandra, utan när vi känner av den andra personens handslag är det helt enkelt elektrisk repulsion mellan elektronskalen som vi uppfattar (också det en pedagogisk förenkling).

Varje naturkraft överförs således genom kraftpartiklar. För de fyra kända naturkrafterna gäller:

Stark kraft – gluoner
Elektrisk kraft – fotoner
Svag kraft – vektorbosoner (W- och Z-partiklarna)
Gravitation – gravitoner

Inom partikelfysiken skiljer man mellan fermioner och bosoner. Fermioner (elektroner, protoner m fl) har "halvtaligt" spinn (udda multipler av 1/2), dvs 1/2, 3/2 etc medan bosoner (t ex fotoner och mesoner) har heltaligt spinn (0, 1 etc). Begreppet spinn förklaras nedan. Skillnaden mellan fermioner och bosoner är oerhört viktig, eftersom dessa två partikeltyper uppför sig fundamentalt olika.

För att göra en kort historia lång så har våra experimentella och teoretiska studier lett fram till det vi idag kallar Standardmodellen. Den sammanfattar våra kunskaper om atomära partiklar och de tre naturkrafterna; stark kraft, elektromagnetisk kraft och svag kraft utifrån teorier och observationer.

De olika kraftpartiklarnas existens är bevisad, med undantag för gravitonen, som ännu inte har observerats. Men gravitationen ingår, som framgår av föregående stycke, inte i Standardmodellen och påverkar således inte vårt resonemang om denna modell.

Ganska snart insåg man att vissa elementarpartiklar var uppbyggda av ännu mer elementära partiklar. Genom att skjuta protoner mot protoner i mycket hög fart, kunde man se att protonens elektriska laddning inte var jämnt fördelad i partikeln utan koncentrerad till tre centra. Detta, plus vissa teoretiska funderingar, ledde till kvarkteorin. Enligt denna finns en grupp partiklar som kallas kvarkar och som bygger upp många av de kända partiklarna, t ex proton och neutron (elektronen kan inte delas i mindre delar). Protonen, som har laddning +1 (i en viss enhet som kallas elementarladdningen) består t ex av två uppkvarkar och en nedkvark. Uppkvarken har laddningen +2/3 medan nedkvarken har laddningen –1/3, vilket ger totala laddningen +1 (+2/3+2/3-1/3=3/3=1). Neutronen, som har laddningen noll, består av två nedkvarkar och en uppkvark (+2/3-1/3-1/3=0). Enligt standardmodellen finns 6 kvarkar. Vi går dock inte in ytterligare på detta.

Den starka kraften verkar endast på partiklar som är uppbyggda av kvarkar. Sådana partiklar kallas hadroner (vilket redan nämnts ovan). Proton och neutron är således hadroner. Övriga partiklar (bortsett från kraftpartiklarna) kallas leptoner, t ex elektronen. Dessa påverkas inte av den starka kraften och består inte av kvarkar.

Ingen har ännu sett en ”naken” kvark, dvs en ensam kvark. Enligt teorin kan kvarkarna endast uppträda i par eller tripletter (tre stycken tillsammans). För att kunna åstadkomma en fri kvark, skulle krävas energier som ligger långt utöver vad vi för närvarande har tillgång till. Ändå kan man nog säga att bevisen för existensen av kvarkar är överväldigande.

När Paul Dirac 1928 förenade Einsteins speciella relativitetsteori med kvantmekaniken ledde detta till förutsägelsen av en helt ny partikeltyp, vars existens snart verifierades experimentellt. Det visade sig att varje partikel har en ”tvilling”, som kallas antipartikel och som har motsatt laddning etc (massan är dock samma hos tvillingarna). Elektronens antipartikel, som kallas antielektron eller positron, har laddning +1 (elektronen har ju –1). Positronens antipartikel är elektronen (antiantipartikeln blir ju partikeln själv). Vissa partiklar är sina egna antipartiklar, som fotonen.

Antiprotonen har således samma massa som protonen men är minusladdad. Att framställa antipartiklar är idag rutin i våra laboratorier. Genom att låta en positron (antielektron) kretsa kring en antiproton, får man antiväte (som har framställts i laboratorier) och man tror att det kan finnas hela galaxer i universum som består av antimateria. Kanske finns en AntiKrister någonstans därute. Eller kanske, med tanke på hur kritisk jag är till mycket i vår galax, att jag kommer från en antigalax och har förirrat mig hit till Jorden. Så det kanske är jag som är AntiKrister (jag hoppas dock att jag inte är Antikrist).

Eftersom det är jobbigt att åstadkomma snygga tabeller och liknande i en blogg så hänvisar jag läsaren till en kort artikel på min hemsida, där jag kortfattat beskriver Standardmodellen.

Allt som är sagt hittills utgör en bakgrund, utan vilken det jag nu skall säga om Higgspartikeln vore nästan helt meningslöst.

När Standardmodellen formulerades hade man ännu inte hittat alla partiklar som ingick i modellen. En del var således teoretiskt förutsagda men ännu inte observerade. Men allt eftersom så har man fyllt i luckorna. Toppkvarken förutsades t ex 1973 och observerades 1995. Varje sådan observation av en förutsagd partikel utgör en ytterligare stark bekräftelse av Standardmodellen. Den partikel som återstått att finna är den s k Higgspartikeln.

1964 förutsade tre forskare, utifrån olika argument, oberoende av varandra, existensen av en ny typ av fält och en partikel associerad till detta fält (det finns också teorier som enbart har ett fält och ingen partikel – dessa kallas Higgslösa fält). En av dem var Peter Higgs. Eftersom Higgs förutsägelser beträffande den nya partikeln var mer detaljerade än kollegornas, fick partikeln och fältet namn efter honom.

Jag skall nu försöka förklara Higgspartikeln lite närmare.

Vi börjar med den enkla versionen: Higgsfältet och Higgspartikeln introducerades för att förklara varför partiklar har masssa. Fotonen (allt ljus och annan elektromagnetisk strålning består av fotoner, plus att fotoner dessutom överför den elektriska kraften) har ingen massa (vilomassa för att vara noggrann – jag avstår från att förklara begreppet vilomassa, den intresserade kan läsa på Wikipedia eller googla), medan de flesta vanliga partiklar (elektron, proton etc) har vilomassa. Higgsfältet förklarar (med eller utan Higgspartikel) existensen av massa och varför vissa partiklar har massa medan andra inte har det. Mekanismerna bakom detta kan jag tyvärr inte ge. En meningsfull förklaring skulle ta alltför stor plats. Teorin om Higgsfält betraktas redan som bevisad och hade man inte funnit motsvarande partikel så hade teorin om Higgslösa fält, som jag nyss nämnde, blivit aktuell.

Och nu kommer den lite svårare och mer korrekta versionen: Resonemanget ovan är starkt förenklat. I själva verket förklaras det mesta av universums massa utan att man behöver tillgripa Higgsfält eller Higgspartikel. Protoner och neutroner, som innehåller nästan hela atomens massa, får sin huvudsakliga massa på ett helt annat sätt. Som framgår ovan så består proton och neutron av tre kvarkar. Dessa är bundna till varandra genom bindningsenergi (som är oerhört stor – det är därför det är så svårt att få fram isolerade kvarkar). Enligt Einsteins formel, E=mc², är energi och materia hopkopplade. All energi har massa och all massa har energi. Kvarkarnas bindningsenergi (i proton och neutron) förklarar det mesta av dessa partiklars massor utan att man behöver introducera någon Higgspartikel eller något Higgsfält. När det gäller elektronen, atomens tredje beståndsdel, som inte består av kvarkar bundna till varandra, så är Higgspartikeln eller ett Higgsfält nödvändigt för att förklara dess massa.

Men insåg tidigt att det skulle bli svårt att framställa Higgspartiklar. Dels var denna partikel tung, dels sönderfaller den mycket snabbt. Det förstnämnda kräver kraftigare partikelacceleratorer än man hade tillgång till när denna partikel förutsades. Och det sistnämnda kräver oerhört känsliga mätinstrument. I och med den uppgraderade acceleratorn vid Europeiska Kärnforskningscentret CERN (utanför Genève), kallad LHC (Large Hadron Collider), som togs i bruk 2009, trodde man sig nu äntligen ha möjlighet att framställa Higgspartiklar (här kan läsaren se en kort film, "The Bottle to Bang", som beskriver hur LHC fungerar).

Anläggningen är enorm. Där arbetar ca 10 000 fysiker, datatekniker och annan personal från olika länder. Acceleratorn består av två cirkulära vakuumrör i en tunnel, ca 160 meter under marken. Omkretsen är 27 km!!! Med hjälp av magneter och elektriska fält accelererar man där protoner i två motriktade partikelstrålar till hastigheter som ligger mycket nära ljusets. De två strålarna får sedan frontalkrocka på vissa ställen, genom att magneter snörper ihop strålarna, varvid rörelseenergin bl a omvandlas till nya partiklar. Man observerar vilka partiklar som då bildas (det handlar om enorma energier). Mätanläggningerna kan väga i storleksordningen 10 000 ton! Man har också tillgång till världens kraftfullaste datorer för att analysera mätdata. Två olika experiment för att upptäcka Higgspartikeln har pågått samtidigt vid CERN. Experimenten har hittills kostat ca 20 miljarder kronor (J J Thomson, som upptäckte elektronen, byggde själv sin apparat för några tior – på den tiden kunde man göra banbrytande fysikaliska upptäckter, som gav nobelpris, hemma vid köksbordet – tyvärr är den tiden förbi).

Det är viktigt att skilja mellan vad våra dagstidningar skriver och vad forskarna säger. Det man är ganska säker på är att man hittat en ny partikel. Dess massa ligger nära den förutsagda massan för Higgspartikeln. Standardteorin säger också att Higgspartikeln (om den existerar) har spinn lika med noll. Spinnet hos den nya partikeln är ännu inte uppmätt.

Vad är då spinn? Ja precis som att jorden, dels rör sig i sin bana kring solen på ett år, dels snurrar kring sin egen axel på ca ett dygn (ungefär 23h 56min), så rör sig elektronerna kring atomkärnan samtidigt som de roterar kring sin egen axel. Många atomära partiklar har spinn, men inte alla. Higgspartikeln har således inget spinn (=0).

Egentligen är begreppet spinn mer komplicerat än vad som framgår av min förenklade förklaring. Man kan snarare säga att spinn innebär att atomära partiklar uppför sig som om de roterade kring sin egen axel (fast det egentligen handlar om något helt annat, som endast kan uttryckas på matematikens språk). För den som verkligen vill veta mer om sådana här saker finns populära böcker som är ganska bra. Fysikern Paul Davies har skrivit några sådana. Det krävs 100-tals sidor för att i ord förklara det som en enda rad matematiskt språk kan förmedla (för den som förstår detta språk).

För att vara säker på att de nygjorda observationerna verkligen handlar om Higgspartikeln måste vi nu verifiera att de observerade partiklarna har alla de egenskaper som Standardteorin förutsäger. Därför är vi ännu inte helt säkra på att det verkligen är Higgspartikeln vi upptäckt. Mycket talar dock för att så är fallet. Tidskriften Nature skriver:

Det sätt på vilket de nya partiklarna växelverkar med andra partiklar stämmer med vad som förväntas av Higgs boson (som partikeln också kallas – boson är en typ av partikel), även om ytterligare mätningar behövs för att fastställa dess identitet. Speciellt vill fysikerna avgöra om partikeln har spinn noll som förutsagts, enligt Incandela (Joe Incandela är ansvarig för CMS som är ett av de två experiment som letat efter Higgspartikeln).

Det sätt på vilket partikeln sönderfaller till andra partiklar är också nyckeln till att verifiera dess exakta egenskaper. Den nya bosonen tycks sönderfalla något oftare till par av gammastrålar än vad teorin förutsäger, säger Bill Murray, en fysiker vid Atlas (det andra Higgs-experimentet vid CERN). Men han är snabb att lägga till att mätdata fortfarande är mycket preliminära.

Ovan har jag försökt ge en begriplig bakgrund till Higgspartikeln. Tyvärr är allting väldigt komplicerat och den bild jag gett är alltför kortfattad och alltför förenklad. Men det är ju dilemmat med all populärvetenskap. Sammanfattningsvis så kan man säga, att om det verkligen visar sig vara Higgspartikeln man funnit, så kan man betrakta Standardmodellen som så bevisad som en vetenskaplig teori kan vara bevisad (men man måste hela tiden ha i bakhuvudet att vetenskap är kunskap under utveckling).

Tydligen har vissa journalister i vanlig ordning dragit väldigt långtgående (och felaktiga) slutsatser utifrån det eventuella fyndet av Higgspartikeln. I GP skrev man den 4/7:

Den förklarar varför alla andra partiklar i världsalltet har massa. Det innebär med andra ord att partikeln - kort och gott - förklarar universums existens. Utan massa skulle det inte finnas stjärnor, planeter eller människor.

Det här är ju rent nonsens. Visst, upptäckten av Higgspartikeln är intressant, eftersom den utgör den slutgiltiga bekräftelsen av Standardmodellen. Men att den skulle förklara universums existens är fullständigt befängt. Att vi kan förklara varför partiklar har massa, förklarar inte hur ett universum kunnat uppkomma ur ingenting och varför vårt universum fått de ytterst speciella egenskaper (naturlagar, naturkonstanter) som är nödvändiga för att liv skall kunna existera. Intelligenskvoten hos den som skrivit detta kan inte vara speciellt hög, alternativt att vederbörande är fundamentalt okunnig eller haft synnerligen bråttom och slarvat. Det kan ju också handla om ideologisk förblindelse. Äntligen blir vi av med Gud! Gudspartikeln får ersätta Gud. Hurra!

Universums existens är knappast ett vetenskapligt problem. Det ligger snarare i gränslandet till filosofi och metafysik. Det vi kallar naturlagar, som utgör grunden för vetenskapen, uppstod enligt bigbangteorin i samband med att vårt universum uppstod. Vi har ingen förklaring till varför vi fick de naturlagar vi fick. Och eftersom de naturlagar vi känner till uppstod samtidigt med universum så kan de inte användas för att studera det som fanns före universum. Bigbangteorin handlar inte om hur universum startade, utan om universums utveckling från och med ca 10 upphöjt till minus 40 sekunder efter att det uppkom.

En av mina läsare skrev följande i ett mail:

Läste i morse [5/7] i GP om att man hittat den efterlängtade Higgspartikeln(?), och att man därmed har de 12 bevis som kan förklara evolutionen, människan, lianer (ursäkta min dåliga återgivelse). Man räknar med ett snart Nobelpris.

Tyvärr har jag inte kunnat hitta detta på GP:s hemsida. Kanske man skämts och tagit bort det, vad vet jag. Men antagligen finns många som ser det ungefär på detta sätt. Om vi bortser från lianer (vad de nu har med saken att göra) så är det svårt att förstå på vad sätt Higgspartikeln skulle bevisa evolutionen och människans uppkomst genom evolution (som jag antar det handlar om). Tvärtom, förutsägelsen och upptäckten av Higgsbosonen utgör snarare att starkt bevis för att universum är matematiskt till sin innersta natur. Detta talar emot att universum skulle vara resultatet av en kombination av enbart slump och naturlagar (hur kan det f ö ha funnits några naturlagar innan universum fanns? – det vi kallar naturlagar sammanfattar ju helt enkelt de egenskaper som universums olika beståndsdelar har, och ingenting kan ju knappast ha några egenskaper?).

Som sagt, de förutsägelser som Higgs och hans kollegor gjorde för nästan 50 år sedan, och den experimentella bekräftelsen av dessa (om nu de observationer som gjorts visar sig hålla), utgör en stor triumf för fysiken. All heder åt Higgs och de andra inblandade fysikerna. Men att detta skulle innebära någon banbrytande ny kunskap, eller nya insikter, är inte sant (de insikterna gjordes för 50 år sedan). Och namnet ”Gudspartikeln”, som ibland används om Higgsbosonen är så missvisande som det bara kan bli.

Medias enorma entusiasm över Higgspartikelns upptäckt delas inte, enligt en artikel i Östgötakorrespondenten, av professor Karl-Fredrik Berggren vid Linköpings universitet (han är också ordförande i Svenska fysikersamfundet). Han tycker (precis som jag) att upptäckten fått för stora proportioner. Inte heller gillar han namnet Gudspartikeln. Han säger (och det får bli min avslutning):

– Det är bara trams. Higgspartikeln är bara en bit i ett pussel.