Hvor står kvantefeltteorien i dag?

1. Nye teoridannelser.

Standardteorien er ikke fullstendig. Til det reiser den for mange ubesvarte spørsmål. Den inneholder en stor mengde (17-26, alt etter hvordan man teller) vilkårlige parametre, deriblant alle masser og koblingskonstanter. Higgs-mekanismen bærer preg av å være innført for å `lappe sammen' det hele -- det er påfallende at så mange parametre er dyttet over på Higgs-feltet, uten at det fins noen forklaring på hvorfor det skal finnes noe slikt felt med slike egenskaper. At dette feltet skal være fundamentalt, virker lite trolig. Man kan også spørre seg hvorfor naturen har valgt akkurat den symmetrigruppen som forekommer i standardteorien -- er dette bare en fremtredelsesform av en dypere, mer grunnleggende struktur?

For å prøve å svare på slike spørsmål, og for muligens også å kunne bringe gravitasjon inn i bildet, har en rekke nye teorier eller modeller sett dagens lys. Idéen om kvantefeltteorier med gauge-symmetri står imidlertid så sterkt at de aller fleste nye teorier har tatt utgangspunkt i dette. Forslagene har dermed gått ut på å innføre nye symmetrigrupper (til erstatning for de `gamle'), nye (alternative) mekanismer for symmetribrudd og flere partikkeltyper (for å muliggjøre et nytt symmetriprinsipp). De enkelte forslagene har stort sett bare historisk og teoretisk interesse, og det er unødvendig å gå nærmere inn på dem. Noen generelle trekk kan imidlertid beskrives.

Den første retningen som ble populær var de `store enhetsteoriene', hvor en søkte å beskrive sterke og elektrosvake krefter som manifesteringer av én og samme `fundamentalkraft' -- eller i gauge-teorienes språk: som undergrupper av én symmetrigruppe. Separasjonen og splittingen av de sterke fra de elektrosvake kreftene skulle da skyldes et symmetribrudd av Higgs-typen. Implisitt i dette ligger også at alle våre kjente partikler (i hvert fall alle partikler i samme `familie') er `i slekt'. Den første varianten -- SU(5) -- hadde fordeler med at en opererte med en (forholdsvis) enkel gruppe, en greide å holde antallet vilkårlige parametre lavt (ikke mer enn 22), og en fikk gruppert alle partiklene i hver familie naturlig i to multipletter. Ulempen var at den forutsa en levetid for protonet på 10³⁰ år, mens eksperimenter har greid å sette en nedre grense på > 10³¹ år. Senere varianter ble mer `kunstige', forutsa gjerne nye partikler som ikke er funnet, og man burde stille seg spørsmålet om hvorfor i all verden naturen skulle ha valgt en slik modell -- standardteorien ser ut til å virke mer naturlig. Alle disse teoriene bygger dessuten på antagelsen om `ingen ny fysikk' mellom her og GUT-energiene, som er $\sim$ 10¹⁵ GeV, mens dagens eksperimenter når opp til $\sim$ 10³ GeV. Det betyr en ekstrapolering over 13 tierpotenser, noe som i hvert fall må betegnes som et meget dristig sprang.

Andre modeller opererte med sammensatte Higgs-partikler, for å få Higgs-mekanismen til å virke mer naturlig, eller med sammensatte kvarker og leptoner (preon-modeller), for å forklare eksistensen av de tre familiene. Og så var det forsøkene på kvantegravitasjonsteorier, kanskje delvis inspirert av at det var så kort vei fra GUT-energiene til Planck-energiene (10¹⁹ GeV), hvor gravitasjon spiller en viktig rolle. Disse skal jeg si litt om i avsnitt 5.3. Ikke noen av disse teoriene har latt seg underkaste eksperimentell prøving.

På et noe mindre ambisiøst nivå har man også arbeidet med å undersøke konsekvenser av alternative Higgs-modeller, massive nøytrinoer og andre mindre revisjoner av standardmodellen, med effekter som burde kunne observeres ved `normale' energier.

2. Den eksperimentelle situasjonen.

Hva har så eksperimentene bidratt med? Kort fortalt: Standardmodellens forutsigelser er bekreftet, og ingen ny fysikk er funnet. I de store akseleratorene har W^$\pm$ og Z⁰ blitt funnet med masser som forutsagt, og forholdet mellom massene til disse partiklene stemmer godt med det som skulle følge av standardmodellens Higgs-mekanisme. Man søker nå etter evidens for de to manglende `brikkene' i `puslespillet': topp-kvarken og Higgs-partikkelen, men foreløpig er resultatet negativt. Teorien gir ingen direkte forutsigelser av massene for disse partiklene, men noen grenser finnes. Man har imidlertid et stykke igjen før disse grensene er nådd.

Ellers har det foregått en møysommelig innsamling av data for prosesser innen standardmodellen, med spredningseksperimenter ved ulike energier. Flere parametre er målt med ganske stor nøyaktighet, og et stort antall prosesser er studert. Dette har stort sett ikke ført til store overraskelser: Standardmodellen er blitt bekreftet her også.

For noen år siden ble det ganske stort oppstuss da det ble rapportert om evidens for en femte kraft, med rekkevidde på noen hundre meter og virkning motsatt av gravitasjonen. Det kom forslag på flere forskjellige modeller for å forklare denne kraften; skalarfelt med forskjellig kobling til baryontall, isospinn og andre kvantetall. Det ble også konstruert flere eksperimenter for om mulig å teste denne virkningen. Dette var eksperimenter av en ganske annen type enn spredningsforsøkene i akseleratorene -- man viste stor oppfinnsomhet i å konstruere metoder til måling av små forskjeller i tyngdekraften i brønner, tårn, ved fjellsider osv. Resultatet var negativt, dvs. at ingen pålitelig effekt ble funnet.

3. Ikke-perturbativ QCD m.m.

Et område hvor det kunne være et fruktbart samspill mellom teori og eksperiment er de deler av kvantekromodynamikken som ikke omfatter dyp uelastisk spredning og hadronskurer. Uheldigvis sliter den ikke-perturbative kvantekromodynamikken med store problemer og er dårlig i stand til å finne matematiske metoder til å beregne noe som helst. En del kvalitative og meget usikre resultater kan finnes, men det er ikke noe særlig materiale for testing.

Et fenomen man burde vente seg ut fra QCD, er bundne tilstander av gluoner uten noen kvarker -- såkalte glueballs. Slike burde kunne eksistere fritt (dog med en svært kort levetid), og kunne gi en svært direkte evidens for kvantekromodynamikkens gyldighet -- de burde sette ganske markante `spor' etter seg. Det er eksperimenter i gang som søker etter slike effekter, men man har ennå ingen konkrete resultater.

Det er også spekulert på om man kunne få en `faseovergang' i systemer med ekstremt stor materie- eller energitetthet, slik at man i stedet for kjernematerie hadde å gjøre med en `suppe' av kvarker og gluoner som pga. den store tettheten var asymptotisk fri -- et kvark-gluon-plasma. Det forsøkes å se spor etter en slik faseovergang i eksperimenter hvor en skyter tunge ioner mot hverandre. En kan også tenke seg at denne faseovergangen kan finne sted i nøytronstjerner -- dvs. at det kan finnes en type stjerner som er enda mer kompakte enn nøytronstjernene. Noen forventede egenskaper til slike stjerner er blitt beregnet.

Den ikke-perturbative kvantekromodynamikken utgjør kanskje den største utfordringen standardmodellen står overfor i dag. Et gjennombrudd her ville ha stor betydning for forståelsen av teorien, samtidig som eksperimentene som skal til for å teste eventuelle resultater ikke behøver å bli uoverkommelig kostbare.

4. Møtet mellom partikkelfysikk og kosmologi.

Noe av det mest interessante som har skjedd de siste 15-20 årene, er møtet mellom partikkelfysikk eller kvantefeltteori (læren om det veldig lille) og kosmologi (læren om det veldig store) i studiene av universets `fødsel'. Dette har tradisjonelt blitt betraktet mer som et område for religion og metafysisk spekulasjon enn for seriøs forskning. Da George Gamow i 1948 fremsatte sin `Big Bang'-teori, basert på Einsteins generelle relativitetsteori og Hubbles ovservasjon av at universet utvider seg, ble han stort sett ikke tatt alvorlig. I 1965 oppdaget imidlertid to radioastronomer ved en ren tilfeldighet en fullstendig isotrop `bakgrunnsstråling', med egenskaper som tilsvarte termisk stråling med en temperatur på 3K. Denne strålingen kunne forklares ut fra Gamows teori, nærmere bestemt fra antagelsen om at universet på et meget tidlig tidspunkt hadde en meget stor energitetthet og var i varmelikevekt, og at den kosmiske bakgrunnsstrålingen var en levning fra denne tida.

I følge denne modellen skulle man ved å følge universets utvikling `baklengs', nærmere og nærmere begynnelsestidspunktet, finne stadig høyere temperaturer og energitettheter. Går man langt nok tilbake, burde temperaturen være så høy at skapelse og ødeleggelse av partikler med letthet kunne foregå, og kvantefeltteorien ville være den rette teorien til å beskrive universet på denne tida.

Dersom det nå finnes muligheter til å observere effekter av disse tidlige fasene i universets historie, betyr det at det tidlige univers er et unikt `laboratorium' for partikkelfysikken. Tidlig i universets historie opptrådte energier som man ikke kan nå i noen laboratorier på jorda, og til og med de mest eksotiske av de nye teoriene kunne ha håp om en evidens gjennom at en kan se mulige effekter av ting som skjedde på disse tidlige tidspunktene. Partikkelfysikerne kan altså forsøke å gå til kosmologien for å få bekreftet eller avkreftet sine teorier.

Likeledes kan kosmologene søke løsninger på sine problemer i partikkelfysikken. Flere generelle trekk ved vårt univers kan nemlig avhenge av hva slags partikler, felt og vekselvirkninger som fantes i universets tidlige barndom. Et slikt trekk kan være forholdet mellom mengden av materie og antimaterie i universet. Det at rommet er homogent, isotropt og tilnærmet flatt, som er et mysterium i den `klassiske' Big Bang-teorien, kan også forklares i kosmologiske modeller som hviler i vesentlig grad på kvantefeltteori. Nærmere presentasjoner av forholdet mellom partikkelfysikk og kosmologi finner en f.eks. i [24,25,42].