Stø kollisjonskurs på CERN

Snart skal milliarder av ørsmå partikler kollidere på CERN, i verdens største eksperiment. Men først må en mann fra Egersund-traktene få båten sin på vannet.
22.11 2007 05:00


“Bildet viser hullet som er gravd ut til ATLAS-deketoren, 100 meter under bakkenivået. (Foto: CERN)”


 

- De nesten månedene blir utrolig spennende. I februar eller mars vet vi om båten flyter. Så vil vi bruke tiden fram mot sommeren til den siste finpussen, sier Steinar Stapnes.

At den 46-år gamle professoren henter sine metaforer fra det maritime miljøet er på ingen måte logisk.

“Båten” han snakker om er nemlig en partikkeldetektor på størrelse med en bygård, som står i bunnen av et digert hull i bakken, hundre meter under jordens overflate.

Svaret på alt


“Steinar Stapnes.”

Steinar Stapnes, fra det lille stedet Stapnes sør for Egersund, er en av rundt 5000 forskere verden over som nå er midt i innspurten før verdens største eksperiment kan begynne.

Etter planen skal noen trykke på startknappen en gang mellom mai og juli neste år, og håpet er at menneskeheten skal få svaret på et ikke ubetydelig spørsmål: Hvorfor vi, jorden og universet eksisterer.

- Det er klart jeg føler meg privilegert over å få jobbe med dette, sier nordmannen om prosjektet som hittil har tatt 12 år og kostet 50 milliarder forskningskroner.

Spent atmosfære

Vi sitter i kantina på CERN (European Organization for Nuclear Research), like utenfor Geneve. Det er lunsjtid, og rundt oss hiver forskerne i seg maten på rekordtid, mens praten går høylytt mellom bordene.

Muligens er det alltid like hektisk på CERN, der det jobber rundt 2 500 personer. Eller kanskje kantinelokalet med den dårlige akustikken bare forsterker en ekstra spent atmosfære, bare måneder før kjempeeksperimentet endelig kan starte.

- Jeg merker i hvert fall at folk begynner å bli skikkelig slitne. Mange har gitt mer enn ti år av sine liv for å få dette på plass. Nå jobbes det både 60- og 80-timers uker for å komme i mål, sier Steinar Stapnes.


“Grafisk framstilling av tunnelen som brukes i verdens største partikkeleksperiment. (Foto: CERN)”


 

Dypt under bakken

Den endelige beslutningen om å bygge Large Hadron Collidor ble tatt allerede i 1995.

Hadroner er et samlenavn på partikler som er bygget opp av kvarker, for eksempel protoner, og forkortelsen som til daglig brukes for partikkelakseleratoren er LHC. Fortsatt blir man slått av de ufattelige dimensjonene og kompleksiteten i prosjektet.

Hundre meter under bakken, på grensen mellom Sveits og Frankrike, ligger den 27 kilometer sirkulære tunnelen, der partiklene skal få sitt livs fartsopplevelse. Men før kjøreturen kan begynne må tunnelen tømmes for luft, for å skape best mulig vakuum.

Kaldest i universet

Deretter skal tunnelen kjøles ned til minus 271,25 grader, mindre enn to grader over det absolutte nullpunktet. Dette må til for at superlederne i magnetene som er montert i tunnelen skal tåle all elektrisiteten de skal tilføres.

Når strømmen skrus på blir magnetfeltet så kraftig at hvis forskerne glemmer igjen en skrue på gulvet, vil den fare mot magnetene med hastigheten og kraften til et prosjektil.

Nedkjølingen av LHC-magnetene er nå igang, og heliumet som brukes til nedkjølingen må transporteres til CERN i hundrevis av lasterbiler over de neste månedene.


“Forskerne bruker både sykler og el-mopeder for å ta seg fram i den 27 kilometer lange tunnelen. (Foto: CERN)”


 

Til Neptun

Inne i tunnelen vil det være to partikkelbaner. Ved hjelp av den elektromagnetiske kraften vil protoner (partikler mindre enn et atom) bli sendt rundt i en fart som er 99,9999991 prosent av lysets hastighet.

Med en slik hastighet suser partiklene 11 000 ganger gjennom den 27 kilometer lange tunnelen i løpet av ett sekund, eller tilsvarende avstanden fram og tilbake til Neptun i løpet av ti timer.

Partikkelbanen har omtrent samme tykkelse som et hårstrå, men vil inneholde like mye bevegelsesenergi som et 400 tonns tog som kjører i 150 kilometer i timen.

- Energien i LHC vil være sju ganger større enn i noen annen partikkelakselerator som hittil har vært konstruert, forklarer Steinar Stapnes.

Frontkollisjon

Men på fire punkter tvinges protonene til å krysse “kjøreretningen”, og der vil de frontkollidere med protoner som kommer farende i like stor hastighet i den motsatte retningen.

Fordi protonene er så knøttsmå og farten så ekstremt høy, kommer protonene til å kollidere med en energitetthet som tilsvarer forholdene like etter Big Bang, altså da universet oppstod.

I følge teorien vil kollisjonene kunne lage nye partikler som hittil aldri har vært observert.

- Ingen vet helt hva vi kommer til å få se. Men jeg føler meg sikker på at LHC kommer til å åpne et nytt vindu i vår forståelse av hvordan universet henger sammen.

- Og kanskje vil hele synet på kvantemekanikken, relativitetsteorien og standardmodellen bli endret, sier professoren i eksperimentell partikkelfysikk.


“Noen av de 2.800 datamaskinene som skal brukes til å analysere kollisjonene. (Foto: CERN)”


 

Sommerstudent

Selv dukket han opp på CERN første gang i 1984, som 24 år gammel hovedfagstudent.

Han ble umiddelbart tiltrukket av det kreative og frie forskermiljøet, selv om han sier at organisasjonen har blitt mye mer strømlinjeformet siden den gang.

- Etter å ha vært sommerstudent ved CERN var jeg solgt. Jeg bestemte meg for å bli partikkelfysiker, forklarer han.

Han og familien har bodd i Geneve siden 1999, og Stapnes er i dag nestleder for ATLAS, et av de største prosjektene ved LHC.

Mørk materie

ATLAS er navnet på én av de fire partikkeldetektorer i LHC-eksperimentet, som skal fange opp partiklene som frigjøres når protonene kolliderer.

Detektorene er “nøklene” som skal åpne forskernes forståelse av hvordan universet vårt er skrudd sammen. Og det er utrolig hvor store hemmeligheter de ørsmå partiklene kan avsløre.

- For eksempel vet vi at all synlig materie, altså planeter og stjerner, bare utgjør rundt fire prosent av den massen og energien som må være der ute, for å forklare universets ekspansjon. Kanskje klarer LHC å lære oss mer om dette ukjente, som kalles “mørk materie” og “mørk energi”, sier Steinar Stapnes.

Når man får et innblikk i en vaskeekte partikkelfysikers arbeidsdag, er inntrykket at det meste handler om svært kompliserte teorier, anvendt på en bitte liten skala i naturen. Men der tar man egentlig feil.

Det som driver forskerne ved CERN til å bygge verdens største laboratorium, er nemlig ønsket om å finne en så enkel oppskrift som mulig, som kan brukes på den største av alle skalaer - selve universet.

“Teorien om alt”

Helt siden Newton forstod at kraften som får et eple til å falle er den samme som får planetene til å bevege seg, har vitenskapen forsøkt å finne én modell, som kan forklare alle fysiske egenskaper ved verden.

Et skritt mot en slik “teori om alt” er den såkalte standardmodellen, som med stor nøyaktighet beskriver de minste bestanddelene i naturen, og kreftene som virker mellom dem.

Men dessverre hopper standardmodellen elegant over en aldri så liten detalj - nemlig hvorfor de fundamentale byggesteinene som utgjør atomer, mennesker og stjerner har masse!

Higgspartikkelen

For drøyt førti år siden lanserte en skotsk fysiker ved navn Peter Higgs en mulig forklaring på problemet.


“Simulasjon av hvordan det kan se ut hvis Higgs-partikkelet viser seg. (Foto: CERN)”


 

Han mente at hele universet bader i en slags kosmisk suppe, et usynlig felt som omgir oss, slik magnetfeltet rundt jorden gjør. Higgs mente at partikler i dette feltet “klistrer” seg til de andre partiklene, og gir dem masse.

Helt siden teorien ble framsatt har forskere forsøkt å finne den såkalte Higgs-partikkelen, men så langt har ingen lykkes.

Nå stiger imidlertid spenningen, fordi man mener at hvis Higgs-partikkelen faktisk eksisterer, så bør akseleratoren utenfor Geneve være kraftig nok til å avsløre den.

Kappløp med amerikanerne

- Faktisk foregår det akkurat nå et uformelt race mellom CERN og forskere ved en akselerator i USA om å finne Higgs-partikkelet, sier Stapnes.

- Jeg er ikke så opptatt av hvem som eventuelt kommer først, fordi jeg tror at LHC uansett vil avsløre ut mye mer om partikkelen enn den amerikanske akseleratoren. Men jeg vet at kappløpet virker motiverende på noen av kollegene mine.

Mye tyder imidlertid på at den langt svakere Fermi National Accelerator (Fermilab) utenfor Chicago ikke har nok energi og intensitet til å snyte det europeiske prosjektet for en eventuell “seier”.

Hvis CERN ved hjelp av ATLAS og de andre detektorene klarer å påvise Higgs-partikkelen, vil det være et stort fremskritt for partikkelfysiskken. Forskerne vil i så fall ha påvist en viktig brikke som for øyeblikket mangler i det store puslespillet om universet vårt.

Svaret får vi hvis alt går etter planen, og verdens største eksperiment starter en gang mellom mai og juli i 2008.

Les mer om ATLAS-detektoren i neste artikkel.

forskning.no ønsker en åpen og saklig debatt. Vi forbeholder oss retten til å fjerne innlegg. Du må bruke ditt fulle navn. Vis regler

Regler for leserkommentarer på forskning.no:

  1. Diskuter sak, ikke person. Det er ikke tillatt å trakassere navngitte personer eller andre debattanter.
  2. Rasistiske og andre diskriminerende innlegg vil bli fjernet.
  3. Vi anbefaler at du skriver kort.
  4. forskning.no har redaktøraransvar for alt som publiseres, men den enkelte kommentator er også personlig ansvarlig for innholdet i innlegget.
  5. Publisering av opphavsrettsbeskyttet materiale er ikke tillatt. Du kan sitere korte utdrag av andre tekster eller artikler, men husk kildehenvisning.
  6. Alle innlegg blir kontrollert etter at de er lagt inn.
  7. Du kan selv melde inn innlegg som du mener er upassende.
  8. Du må bruke fullt navn. Anonyme innlegg vil bli slettet.