Teoretisk partikelfysik

Början av teorin för den starka kraften, eller kvantkromodynamiken som den skulle bli känd som, går tillbaka till början av 50-talet. I denna eran så upptäcktes en ny partikel nästan varje månad och det syntes ej finnas en enkel underliggande förklaring. De flesta forskare trodde på den tiden att det borde finnas en underliggande struktur för alla nyligen upptäckta partiklar, och en idé var att dessa partiklar inte var fundamentala, utan istället byggdes upp av något mindre. Denna idé ledde så småningom till att Yuval Ne'eman och Gell-Mann visade att alla nya partiklar kunde förklaras av tre stycken mer fundamentala partiklar, som blev kända som kvarkar. Yuval Ne'eman och Gell-Manns första modell använde tre kvarkar (up, down, strange) men i slutändan efter mer experiment så har modellen utökats med tre fler kvarkar (charm, bottom, top). Namnet kromodynamik härstammar ifrån att dessa kvarkar bär ”färgladdning” i analogi med ”elektrisk laddning”.

Kvantkromodynamiken har hittills varit mycket framgångsrik med att förklara den underliggande struktur som vi ser i naturen. Några av de mer häpnadsväckande egenskaperna av kvantkromodynamiken är att färgladdade partiklar aldrig kan observeras direkt, utan kan bara ses i bundna tillstånd som t.ex. protoner och neutroner. Detta gäller för små energiskalor, medans om en proton kolliderar med en elektron med hög energi så interagerar kvarkarna direkt med elektronen, detta fenomen kallas för asymptotisk frihet. Dessa egenskaper av kvantkromodynamiken implicerar att för höga energier så kan vi beskriva naturen i termer av fria kvarkar, medans för små energiskalor så är frihetsgraderna beskrivna av hadroner och mesoner. En av de stora utmaningarna för kvantkromodynamiken är vad som händer i övergången från små till stora energiskalor eller vice versa.

Vår forskning inom kvantkromodynamiken fokuserar på beskrivningar av dynamiken i denna övergångsregion. Våra metoder fokuserar på att skapa beräkningstekniker och modeller för olika processer, vilka hoppas ge en djupare förståelse för vad som händer.

Med LHCs upptäckt av Higgsbosonen under 2012 inleddes en ny era av teoretisk elektrosvag fysik. Den upptäckta bosonen passar väldigt bra med standardmodellens förutsägelse, men eftersom att vi vet att standardmodellen inte kan vara komplett så är det värt att ställa sig frågan ifall det finns fler Higgsbosoner där ute.

Ett av få sätt att introducera fler Higgsbosoner vid den elektrosvaga skalan, utan att motsäga experiment, är genom att helt enkelt duplicera standardmodellens Higgssektor. Dessa modeller kallas för Två Higgs Dubblett Modeller och de innehåller totalt fem Higgsbosoner. En anledning till att dessa modeller är intressanta är för att de kan förklara materia-antimateriaasymmetrin vi har i vårt universum. En annan anledning är att det krävs två Higgsdubbletter för att kunna göra standardmodellen till en supersymmetrisk teori.

I vår forskning inom Två Higgs Dubblett Modeller gör vi förutsägelser för partikelkolliderare så som LHC, samtidigt som vi undersöker de kosmologiska konsekvenserna av dessa modeller. Till exempel, är det möjligt att förklara universums materia–antimateriaasymmetri med en Två Higgs Dubblett Modell och samtidigt förklara den experimentella datan från LHC?

Utvecklade program

• 2HDMC: Two-Higgs-Doublet Model Calculator
  av D. Eriksson, J. Rathsman, O. Stål (2010-)
• BKsolver: Program för numerisk lösning av Balitsky-Kovchegov-ekvationen
  av R. Enberg (2005)
• MATCHIG: add-on till Pythia för matchning av laddad Higgsproduktion
  av J. Alwall (2005)
• HardCol: add-on till Pythia för hård färg singlet utbytesprocesser
  av R. Enberg (2002)
• LEPTO: Monte Carlo-eventgenerator för djupa inelastiska kollisioner
  av G. Ingelman, A. Edin, J. Rathsman (1996)
• AROMA: Monte Carlo-eventgenerator för tung flavor i djupa inelastiska kollisioner
  av G. Ingelman, J. Rathsman, G. A. Schuler (1996)
• MAJOR: Monte Carlo-eventgenerator för tunga Majorananeutrinos i ep-kollisioner
  av G. Ingelman, J. Rathsman (1996)
• LUCIFER: Monte Carlo-eventgenerator för hög-pT fotoproduktion
  av G. Ingelman, A. Weigend (1987)
• TWISTER: Monte Carlo-eventgenerator för hög-pT kollision i QCD
  av G. Ingelman (1986)

Partikelfysiken beskriver naturens beståndsdelar som ett antal elementarpartiklar kallade kvarkar och leptoner. Dessa kvarkar och leptoner bygger upp all känd materia – protoner och neutroner, atomkärnor och atomer – och är de mest fundamentala (nu kända) byggstenarna i universum. Inom partikelfysiken studerar man hur de växelverkar och krafterna som verkar mellan dem; dessa krafter kallas elektrosvag och stark växelverkan. Under de senaste fyrtio åren har en kvantmekanisk teori som kallas standardmodellen utvecklats. Den beskriver hur kvarkarna och leptonerna växelverkar med varandra. Standardmodellen är en så kallad kvantfältteori, där krafterna beskrivs genom utbyte av fotoner, W- och Z-bosoner och gluoner.

Sammantaget är standardmodellen en fantastiskt framgångsrik teori – den har testats i mycket noggranna experiment och den har kunnat förutsäga en mängd fysikaliska processer. Trots detta vet vi att den kommer att bryta samman vid högre energier, och den lämnar många fundamentala frågor obesvarade: Hur får partiklarna sina massor? Varför balanseras protonens laddning exakt av elektronens, så att atomer blir neutrala? Hur uppstod asymmetrin mellan partiklar och antipartiklar i universum? Är gravitation, stark och elektrosvag växelverkan manifestationer av en gemensam ”urkraft”? Finns det extra rumsdimensioner med liten utsträckning? Standardmodellen kan inte heller förklara mörk materia – det finns helt enkelt ingen partikel i standardmodellen som kan vara mörk materia-partikeln. Det finns också andra teoretiska problem med standardmodellen och de flesta fysiker tror därför att det finns en större teori som innehåller standardmodellen som en del-teori.

Det finns många olika idéer om vad man kan förvänta sig. Supersymmetri är nog den mest väletablerade utökningen. Den förutsäger att varje partikel har en mycket tung partikelpartner. Vid CERN i Genève har acceleratorn LHC nyligen upptäckt den eftersökta Higgsbosonen, och man hoppas att man med dess höga energi även ska kunna producera och observera nya okända partiklar som ska ge ledtrådar till vad den nya fysiken är.

För att kunna tolka observationerna krävs en omfattande forskning inom gränsområdet mellan teori och experiment. Precisa förutsägelser kan då göras av möjliga signaler, samtidigt som en tillräckligt god beskrivning av den kända fysiken nås för att signaler för ny fysik bortom Standardmodellen ska kunna vaskas fram ur de enorma datamängderna. Vår forskargrupp har expertis för denna utveckling av modeller och analysstrategier. En specialitet är att utveckla datorprogram som simulerar partikelkollisioner, komplett med de underliggande processerna på kvarknivå samt det resulterande sluttillståndet av observerbara partiklar. Detta är en kraftfull metod att göra noggranna jämförelser mellan teori och experiment och våra program används därför av partikelfysiker runt om i världen.

Även inom Standardmodellen finns olösta problem, främst gällande den starka kraften som beskrivs av en teori som kallas kvantkromodynamik, QCD. I partikelkollisioner bildar den starka kraften fält i form av strängar mellan de kvarkar och gluoner, som rör sig ut från kollisionerna. Genom ytterligare utbyte av gluoner kan topologin hos dessa sträng-fält ändras drastiskt, vilket leder till en annan fördelning av de observerbara partiklarna i sluttillståndet. Speciellt kan händelser inträffa där stora vinkelområden i partikeldetektorn blir helt tomma på partiklar. Dessa ”rapiditetsgap” har observerats i flera experiment och ges en enhetlig beskrivning i vår modell, vars teoretiska grund i QCD vi nu utforskar.

Astropartikelfysik är en gren av fysiken som behandlar kopplingen mellan astrofysik och partikelfysik – det vill säga mellan de allra största fenomenen i universum och de allra minsta. Man studerar t.ex. våldsamma processer som supernovor, gammablixtar (gamma ray bursts på engelska) eller processer runt svarta hål, där man ofta har jets som strömmar ut från det kompakta svarta hålet eller neutronstjärnan i dess centrum. I dessa processer tror man att fysikaliska processer kan skapa strålar av fotoner, neutriner och andra partiklar som vi kan detektera på jorden eller med satellitexperiment. Genom att detektera dessa kan vi lära oss om hur dessa mycket avlägsna system fungerar. Man studerar också den kosmiska strålning som hela tiden bombarderar jordklotet. Där har man detekterat partiklar med extremt höga energier, som man inte vet var de kommer ifrån, även om man tror att de kommer från de processer som nämnts ovan. Ett annat viktigt forskningsområde handlar om det mycket tidiga universum kort efter Big Bang.