Strategin för europeisk partikelfysik

Just nu pågår en process med syfte att uppdatera strategin för europeisk partikelfysik. Processen startades formellt genom ett beslut i CERN:s council i september förra året. Den leds av en vald vetenskaplig sekreterare och ett strategisekretariat. Den instans som ska formulera ett förslag till strategiuppdateringen är European Strategy Group (ESG), som utöver strategisekretariatet till större delen består av representanter från CERN:s medlemsländer och från de stora laboratorierna i Europa. Det strategidokument som nu ska uppdateras antogs av CERN:s council 2013, https://cds.cern.ch/record/1567258/files/esc-e-106.pdf. ESG ska sammanträda i januari nästa år med målet att enas om ett utkast till strategiuppdatering. Det ska sedan diskuteras i CERN:s council som förväntas fatta beslut i maj. Hela strategiprocessen, som är en bottom-up process med omfattande diskussioner i partikelfysiksamhället, beskrivs här: http://europeanstrategyupdate.web.cern.ch/welcome

Upptäckten av Higgspartikeln vid Large Hadron Collider (LHC) på CERN 2012 är det största som hänt inom partikelfysiken på väldigt länge. Med Higgspartikeln ser partikelfysikens standardmodell ut att vara komplett. Men det finns fortfarande fundamentala frågor som behöver besvaras där standardmodellen inte erbjuder någon förklaring, exempelvis,


– vad består universums mörka materia och mörka energi av?
– hur uppstod asymmetrin mellan materia och antimateria i universum?
– med vilken mekanism får neutrinon massa?
– hur kan Higgspartikeln vara så lätt?

Higgspartikeln är inte vilken partikel som helst. Det är den enda kända fundamentala partikel som inte har vare sig någon laddning eller något spinn. Higgsmassan påverkas av kvantfluktuationer när den växelverkar med tunga partiklar och man förväntar sig därför att den borde ha betydligt större massa än vad den har. Detta är det så kallade hierarkiproblemet, nämligen att det krävs en enorm finjustering av parametern för Higgsmassan i standardmodellen för att motverka de stora kvantmekaniska bidrag som kommer från högre energiskalor. Det finns ett antal teorier som föreslår att det krävs andra typer av partiklar, utanför standardmodellen, för att stabilisera Higgspartikelns massa. Higgspartikelns kopplingar till andra partiklar är väl bestämda inom standardmodellen, i själva verket är varje partikels massa proportionell mot hur starkt den växelverkar med Higgspartikeln. Det är därför viktigt att mäta kopplingarna så noggrant som möjligt eftersom en avvikelse skulle signalera ny fysik.

Higgspartikelns egen massa är proportionell mot hur starkt den växelverkar med sig själv. För att få mer insikt om hierarkiproblemets lösning är det därför väldigt viktigt att försöka mäta denna självkoppling. Problemet är bara att det kräver processer där minst två Higgspartiklar ingår vilket är extremt sällsynt även vid LHC. Därför krävs väldigt många kollisioner för att man ska kunna mäta denna självinteraktion. Hittills har det inte varit möjligt, men med datamängder som är några gånger större än den nuvarande förväntar vi oss att börja ha tillräcklig känslighet för att börja mäta processer med mer än en Higgspartikel.

Att mäta Higgspartikelns kopplingar så noggrant som det bara är möjligt kan vara en inkörsport till lösningar på flera fundamentala frågor för partikelfysiken och för kosmologin. Vid LHC och dess planerade uppgradering till High Luminosity LHC (HL-LHC) förväntas vi kunna mäta flera av Higgspartikelns kopplingar med en precision på procentnivå. För att uppnå ännu högre precision krävs en accelerator med en prestanda som gör det möjligt att producera Higgspartiklar i betydligt större mängder. Det tycks råda stor enighet bland partikelfysikerna att detta är en av de viktigaste vetenskapliga frågorna för framtiden.

Några andra stora frågor som generellt anses viktiga att framhålla i strategiuppdateringen är:
– Ett program för vetenskaplig mångfald, med mindre projekt där viktiga mätningar kan göras, som är komplementära till de som kan göras vid en stor partikel-kolliderare, t.ex. att söka efter kandidater till mörk materia med låg massa. Det finns många förslag på sådana projekt som kan genomföras både på CERN och vid andra laboratorier.
– Ett starkt program för att utveckla helt nya tekniker för partikelacceleration.
– Att utveckla samarbetet mellan partikelfysik och astropartikelfysik när det gäller t.ex. sökandet efter kandidater till mörk materia, frågan om neutrinernas natur och teknologiutveckling.
– Att på lång sikt planera för en ny proton-proton-kolliderare med högsta möjliga energi, kanske med ny teknik, för att uppnå så hög precision som möjligt i mätningar av både Higgspartikeln och många andra processer, och med potential att direkt upptäcka nya tunga partiklar bortom standardmodellen.

Det finns ett antal utvecklingsprojekt för framtida stora acceleratorer i världen, på CERN såväl som i Japan och Kina, där man skulle optimera mätningar på Higgspartikeln och också få möjlighet att studera många andra processer. På CERN arbetar man med teknikutveckling för två sådana acceleratorprojekt:
– en linjär elektron-positron accelerator som i första stadiet skulle vara 11 km lång och kunna ge kollisioner med energin 380 GeV och sedan kunna uppgraderas till högre energier, på sikt en 50 km lång maskin med en kollisionsenergi på 3 TeV.
– en cirkulär tunnel med 100 km omkrets där det finns möjlighet att bygga dels en elektron-positron kolliderare med energi upp till 365 GeV och på längre sikt en proton-proton maskin med en energi på runt 100 TeV, dvs ca sju gånger mer kraftfull än LHC.

LHC och HL-LHC förväntas förse oss med högkvalitativa data, som vi kommer att lära oss mycket av, ungefär tjugo år till. Så vi behöver inte sätta spaden i marken imorgon för att bygga en ny stor accelerator. Men med tanke på att det är mycket långsiktiga projekt, där det troligtvis tar femton-tjugo år från beslut att bygga tills man har kolliderande partiklar i maskinen, kan det snart vara dags att bestämma sig för i vilken riktning man vill fortsätta utvecklingen.

Kerstin Jon-And med tack till Jonas Strandberg och Barbro Åsman för synpunkter.