Jim Baggott är författare till Higgs: The Invention and Discovery of the God Particle och frilansande vetenskapsskribent. Han var docent i kemi vid University of Reading men slutade för att satsa på en karriär inom näringslivet, där han först arbetade för Shell International Petroleum Company och sedan som oberoende företagskonsult och utbildare. Bland hans många böcker finns Atomic: The First War of Physics (Icon, 2009), Beyond Measure: Modern Physics, Philosophy and the Meaning of Quantum Theory (OUP, 2003), A Beginner’s Guide to Reality (Penguin, 2005) och A Quantum Story: A History in 40 Moments (OUP, 2010).

Läs hans samling blogginlägg för att fira lanseringen av hans nya bok på OUPblog.

Den 4 juli 2012 meddelade forskare vid CERN:s anläggning Large Hadron Collider (LHC) i Genève att de upptäckt en ny elementarpartikel som de tror stämmer överens med den länge eftersökta Higgsbosonen, även känd som ”gudspartikeln”. Vår förståelse av materiens grundläggande natur – allt i vårt synliga universum och allt vi är – är på väg att ta ett stort steg framåt.

Vad är Higgsbosonen och varför kallas den ”gudspartikeln”? Vetenskapsskribenten Jim Baggott, vars bok Higgs: the Invention and Discovery of the ”God Particle” ger några av svaren.

Vi vet att det fysiska universum är uppbyggt av elementära materiepartiklar (t.ex. elektroner och kvarkar) och de partiklar som överför krafter mellan dem (t.ex. fotoner). Materiepartiklar har fysiska egenskaper som vi klassificerar som fermioner. Kraftpartiklar är bosoner.

I kvantfältsteorin representeras dessa partiklar i termer av osynliga energi-”fält” som sträcker sig genom rymden. Tänk på dina barndomsupplevelser när du lekte med magneter. När du trycker ihop nordpolerna på två stavmagneter känner du hur motståndet mellan dem växer i styrka. Detta är resultatet av växelverkan mellan två osynliga, men ändå mycket verkliga, magnetfält. Den motståndskraft du upplever när du trycker ihop magneterna bärs upp av osynliga (eller ”virtuella”) fotoner som passerar mellan dem.

Materia och kraftpartiklar tolkas då som grundläggande störningar av dessa olika typer av fält. Vi säger att dessa störningar är fältens ”kvanta”. Elektronen är elektronfältets kvantum. Fotonen är det elektromagnetiska fältets kvantum, och så vidare.

I mitten av 1960-talet var kvantfältsteorierna relativt impopulära bland teoretikerna. Dessa teorier tycktes antyda att kraftbärare alla borde vara masslösa partiklar. Detta var föga logiskt. En sådan slutsats går bra för fotonen, som är bärare av elektromagnetisk kraft och faktiskt är masslös. Men man trodde att bärarna av den svaga kärnkraften, som är ansvarig för vissa typer av radioaktivitet, måste vara stora, massiva partiklar. Varifrån kom då massan hos dessa partiklar?

1964 publicerades fyra forskningsartiklar som föreslog en lösning. Tänk om universum genomsyras av en annan typ av energifält, ett fält som pekar (det ger en riktning i rymden) men som varken trycker eller drar? Vissa typer av kraftpartiklar skulle då kunna interagera med detta fält och därigenom få massa. Fotoner skulle glida genom fältet utan att påverkas.

En av dessa artiklar, av den engelske teoretikern Peter Higgs, innehöll en fotnot som antyder att ett sådant fält också skulle kunna förväntas ha en grundläggande störning; ett kvantum av fältet. År 1967 använde Steven Weinberg (och senare Abdus Salam) denna mekanism för att utforma en teori som kombinerade den elektromagnetiska och den svaga kärnkraften. Weinberg kunde förutsäga massorna hos bärarna av den svaga kärnkraften – W- och Z-bosonerna. Dessa partiklar hittades vid CERN cirka 16 år senare, med massor som låg mycket nära Weinbergs ursprungliga förutsägelser.

Omkring 1972 kallades det nya fältet av de flesta fysiker för Higgsfältet, och dess fältkvant kallades Higgsbosonen. ”Higgs-mekanismen” blev en viktig ingrediens i det som kom att kallas partikelfysikens standardmodell.

Higgsfältet uppfanns för att förklara hur annars masslösa kraftpartiklar kunde få massa, men det blev snart uppenbart att något mycket liknande också är ansvarigt för materiepartiklarnas massa.

Higgsfältets sätt att interagera med i övrigt masslösa bosonfält och det sätt på vilket det interagerar med masslösa fermionfält är inte detsamma (det sistnämnda kallas Yukawa-interaktion, uppkallat efter den japanske fysikern Hideki Yukawa). Trots detta är det uppenbart att Higgsfältet har en grundläggande viktig roll att spela. Utan det skulle både materia och kraftpartiklar inte ha någon massa. Mass skulle inte kunna konstrueras och ingenting i vårt synliga universum skulle kunna vara det.

I sin populära bok The God Particle: Om universum är svaret, vad är frågan? som först publicerades 1993, förklarade den amerikanske fysikern Leon Lederman (tillsammans med Dick Teresi) varför han valt denna titel:

Denna boson är så central för dagens fysik, så avgörande för vår slutliga förståelse av materiens struktur, men ändå så svårfångad att jag har gett den ett smeknamn: Gudspartikeln. Varför Guds partikel? Av två skäl. För det första ville förlaget inte låta oss kalla den Goddamn Particle, även om det skulle vara en mer passande titel, med tanke på dess skurkaktiga natur och de kostnader den orsakar. Och två, det finns en sorts koppling till en annan bok, en mycket äldre bok…

Lederman fortsatte med att citera ett stycke ur Första Moseboken.

Detta är ett smeknamn som fortsätter att användas flitigt av populärvetenskapliga skribenter och journalister. Det är ett namn som har fastnat. De flesta fysiker verkar ogilla det, eftersom de anser att det överdriver Higgsbosonens betydelse (det är Higgsfältet som är nyckeln). I en personlig memoar med titeln My Life as a Boson (Mitt liv som boson) förklarade Peter Higgs hur den länge eftersökta partikeln fick sitt namn efter honom och definierade dess status som ”fysikens mest eftersökta partikel.”

”Gud” eller ”mest eftersökta”, det är en partikel som fysikerna verkligen har varit desperata efter att hitta. Frågan är nu om Peter Higgs arbete kommer att erkännas på ett annat sätt, kanske med ett Nobelpris?