Elementarpartikelfysiken är den gren av fysiken som försöker beskriva naturens minsta beståndsdelar. Detta arbete har hittills varit mycket framgångsrikt, och resulterat i en teori som brukar kallas Standardmodellen. Enligt Standardmodellen består världen av partiklar och krafter. Partiklarna är sex olika slags leptoner och lika många kvarkar, samt Higgspartikeln. Exempel på leptoner är elektronen och neutrinon, medan kvarkarna bygger upp protoner och neutroner, som i sin tur bygger upp atomkärnor. Krafterna är den elektromagnetiska kraften, den starka och den svaga kraften och gravitationskraften. Gravitationen har hittills inte kunnat beskrivas inom samma teoretiska ramverk som de andra krafterna, och ingår därför inte i Standardmodellen. Detta är dock inget stort problem när man gör förutsägelser med teorin, eftersom gravitationskraften mellan elementarpartiklar är oerhört svag jämfört med de andra krafterna.

Standardmodellen är en mycket framgångsrik teori. Den inkluderar alla elementarpartiklar vi har kunnat se i experiment, och beskriver deras egenskaper och växelverkningar med stor exakthet. Emellertid finns det vissa problem inom teorin. En av teorins fundamentala partiklar, Higgspartikeln, har ännu inte observeras i experiment. Att observera denna är nödvändigt för att klargöra mekanismen för hur partiklar får massa. Teorin förutsätter att alla partiklar från början är masslösa, men får massa genom växelverkan med just Higgspartikeln. Det finns också rent teoretiska problem som inte kan löses inom Standardmodellen. Detta innebär att den inte kan vara den slutgiltiga beskrivningen av naturen. Man kan uttrycka det som att Standardmodellen är en approximativ teori, som bara gäller vid förhållandevis låga energier. Den måste därför kompletteras med ny fysik och nya, tyngre partiklar som bara kan skapas vid högre energier.

Det finns flera förslag till sådan kompletterande fysik. Den mest populära teorin bland partikelfysiker kallas Supersymmetri, och innebär att varje partikel har en “partner” som är betydligt tyngre än partikeln själv. Enligt denna teori finns det alltså superelektroner, superkvarkar och så vidare, som är mycket svåra att se i experiment. En annan idé som studerats mycket de senaste åren är att det skulle finnas fler rumsdimensioner än de tre vi känner till. Dessa teorier förutsäger nya fysikaliska fenomen, så kallade signaturer, som man kan leta efter i experiment med kolliderande partiklar.

Just nu bygger partikelfysiker från hela världen en enorm protonkolliderare, LHC, vid CERN i Schweiz. Med hjälp av de höga energier som skapas i denna kommer man med stor sannolikhet kunna hitta såväl Higgspartikeln som nya partiklar. Men för att urskilja ny fysik från den bakgrund av partiklar som kommer från den vanliga Standardmodellen måste man veta vad man ska titta efter. Detta kräver god kunskap om de teorier för ny fysik man letar efter, men också om Standardmodellen. I synnerhet den starka kraften (den kraft som håller ihop atomkärnan) är mycket komplicerad, och måste tas med i beräkningen när man undersöker signaturerna för ny fysik. Under min doktorandtid har jag bl.a. arbetat med att förbättra förståelsen av sådana effekter för produktion av en laddad "kusin" till Higgspartikeln, som bl.a. förekommer i supersymmetriska teorier. Förhoppningsvis kommer detta arbete att förbättra möjligheterna att hitta en sådan partikel, om den finns.