Denne artikkelen er produsert og finansiert av Universitetet i Oslo - les mer.

Eli Bæverfjord Rye og Anders Kvellestad forsker begge på data fra eksperimentene på Cern.
Eli Bæverfjord Rye og Anders Kvellestad forsker begge på data fra eksperimentene på Cern.

De angriper universets minste mysterier fra hver sin kant

Eli Bæverfjord Rye gjør eksperimenter. Anders Kvellestad er teoretiker. Fra hver sin kant leter de etter elementærpartiklenes hemmeligheter.

– Akkurat nå vet jeg ting som teoretikerne kunne drept for å få vite. Men jeg kan ikke si noe. Jeg har munnkurv, sier partikkelfysiker Eli Bæverfjord Rye.

– Det er superfrustrerende, sier Anders Kvellestad, også han partikkelfysiker.

Begge forsker på resultater fra den kjempestore partikkelakseleratoren på Cern i Sveits. Begge holder til på Fysisk institutt ved Universitetet i Oslo. Men det er mer enn trappene mellom tredje og fjerde etasje som skiller dem.

Rye tilhører gruppen av Cern-forskere som kalles eksperimentalister, mens Kvellestad er teoretiker.

Starter i hver sin ende

Skillene mellom dem er ikke så skarpe. Rye har bakgrunn som teoretiker, og hun har hele tiden teoriene i bakhodet når hun ser på dataene fra Cern-eksperimentene. Det finnes også langt «renere» teoretikere enn Kvellestad.

Slik sett er det en forenkling å sette arbeidshverdagen til Rye og Kvellestad opp mot hverandre. Men siden det er snakk om utrolig komplisert partikkelfysikk, er det kanskje greit å gjøre det litt mindre innviklet.

Uansett er de helt avhengige av hverandre, men de starter på en måte i hver sin ende. Eksperimentalister driver med konkrete partikkelkollisjoner, teoretikere med den rene teorien om hvordan verden henger sammen.

Før de møtes på midten, er det tette skott mellom dem. Særlig sånn som nå, når Rye nettopp har åpnet en ny pakke med data fra Cern. Da må Kvellestad i etasjen over finne seg i å vente tålmodig selv om resultatene kan være veldig viktig for teoriene han studerer.

Hverdagen består i å analysere data på kontoret i Oslo. Men av og til tar Eli Bæverfjord Rye en tur til Cern, på grensen mellom Sveits og Frankrike, for å se de enorme installasjonene på nært hold.
Hverdagen består i å analysere data på kontoret i Oslo. Men av og til tar Eli Bæverfjord Rye en tur til Cern, på grensen mellom Sveits og Frankrike, for å se de enorme installasjonene på nært hold.

Milliarder av kollisjoner i sekundet

Cern ligger på grensen mellom Sveits og Frankrike. I en tunell 100 meter under bakken sendes milliarder av protoner rundt i hver sin retning i partikkelakseleratoren Large Hadron Collider (LHC). Fire steder på veien overvåkes kollisjonene mellom dem av kjempestore detektorer.

En av detektorene heter Atlas, og det er herfra Rye får sine data om partikkelkollisjoner. Ikke proton mot proton, for disse er igjen satt sammen av såkalte kvarker og gluoner.

– Vi skyter protoner mot hverandre, men det er de enda mindre bestanddelene inne i protonene som faktisk kolliderer. Kvark mot kvark, kvark mot gluon eller gluon mot gluon, sier Rye.

Målet er å få enda bedre kunnskap om hvordan verden henger sammen.

Modellen som har nesten alt

Selv om fysikerne har kontroll på det meste, det som er samlet i den såkalte Standardmodellen, er ikke alt på plass. Det er rom for litt ny fysikk.

Standardmodellen

Standardmodellen forklarer hva verden består av og hva som holder den sammen. Det handler om vekselvirkningene mellom de grunnleggende partiklene i naturen.

– Vi vet at standardmodellen ikke er perfekt, så vi prøver å utvide den litt, sier Rye.

Både hun og Kvellestad jobber med det som kalles supersymmetri, en av flere teorier som prøver å forklare dagens mangler.

– En av de største manglene ved standardmodellen er at den ikke inneholder mørk materie, som supersymmetri kanskje kan forklare, sier Rye.

Skiller mellom teori og praksis

Alle vitenskaper består av både teori og praksis, hypoteser og eksperimenter.

– Men i veldig mange vitenskaper er det ikke et tydelig skille mellom teoretiker og eksperimentalist. Da kan én og samme person formulere en teori, delta i et eksperiment og teste eksperimentet mot teorien, sier Kvellestad.

I partikkelfysikken er det ikke slik.

– Fordi det er så komplisert å gjøre eksperimenter og fordi teoriene er så kompliserte, har vi fått en spesialisering i fagfeltet, sier Kvellestad.

– Det er et enormt spenn fra eksperimentalistenes rådata, som grunnleggende sett bare er masse elektriske signaler i detektorene, og til den idealiserte matematikken teoretikerne gjør.

Historien om higgsbosonet illustrerer forskjellen. Også hvor lang tid ting kan ta.

Teori i 1960, påvist femti år etter

Allerede på 1960-tallet forutså den britiske fysikeren Peter Higgs og andre teoretikere denne partikkelen, men det var ikke før i 2012 at eksperimentene på Cern klarte å påvise den i kollisjonene sine.

Higgs-bosonet er oppkalt etter Higgs som først hevdet at det eksisterte i en artikkel i 1964.

– Higgs og de andre kom med en modell, en ligning. Det var ikke en helt eksakt hypotese, sier Kvellestad.

Teorien sa nemlig ikke noe om massen til denne partikkelen. Dermed måtte eksperimentene lete veldig mange steder før de lyktes, og Higgs kunne få sin nobelpris.

Bare se, ikke røre. Teoretikeren Anders Kvellestad 100 meter under bakken ved Large Hadron Collider (LHC).
Bare se, ikke røre. Teoretikeren Anders Kvellestad 100 meter under bakken ved Large Hadron Collider (LHC).

Mange kollisjoner er luket bort

Når Rye får sin datapakke fra Cern, er mye allerede luket bort. Det er så mange kollisjoner at det ville vært nesten umulig å se på alle. Det er milliarder av kollisjoner i sekundet, og bare en brøkdel av dem blir tatt vare på.

– Det meste er uinteressant. Vi er på utkikk etter spesielle kollisjoner og så må vi prøve å finne ut hva de betyr, sier Rye.

– Vi gjør veldig mye arbeid før vi i det hele tatt får lov til å se på dataene. Fordi når vi først har åpnet døra, får vi ikke lov til å endre noe som helst.

Alle mulige begrensninger må tenkes ut på forhånd for å unngå at fysikerne gjør justeringer for å tilpasse teorien til dataene. Ser de etterpå at de burde gjort ting annerledes, må de vente med å bruke det til neste datapakke.

Jakter på chargino og nøytralino

Rye tilhører det som kalles 3-lepton-gruppa ved Atlas-kollaborasjonen. Leptoner er en samlebetegnelse på elektroner, myoner, tau og deres tilhørende nøytrinoer.

– Min gruppe ser etter kollisjoner som har akkurat tre leptoner og som mangler ganske mye energi i sluttilstanden. Det er signaturen som vi er interessert i.

– Vi ser etter to supersymmetriske partikler som heter chargino og nøytralino, forteller Rye.

Det er ikke slik at de observerer disse partiklene direkte. Partiklene lever neppe lenge nok til det. Men forskerne vet hvordan de kan omdanne seg, henfalle som det heter, på veien mot detektorene.

– Dersom vi klarer å produsere chargino og nøytralino, kan de henfalle på en slik måte at det vi faktisk ser i detektoren er tre leptoner og manglende energi, forklarer Rye.

Et kjempestort puslespill

Andre grupper følger andre spor. Og det er veldig mange slike grupper bare i Atlas-eksperimentet.

– Selv om hver og en av oss bare er en liten puslespillbrikke, så vet vi at det vi gjør til sammen er veldig kraftfullt. Vårt samlede resultat kan gi kjempestore bidrag til fysikken, sier Rye.

Hvis teorien om supersymmetri stemmer, skal hver eneste partikkel i standardmodellen ha en supersymmetriske partner. I tillegg til chargino og nøytralino har de hypotetiske partiklene navn som skvark, selektron, snøytrino og gluino.

Foreløpig er ingen av dem blitt observert i eksperimenter. Og om det er spor av dem i det nyåpnede datasettet, har ikke Rye lov til å si noe. Ikke før hele gruppa har gjort ferdig arbeidet sitt og publisert en vitenskapelig artikkel om det. Først da kan hun sende diagrammer og grafer opp til Kvellestad i etasjen over.

Superpartner, hvor er du?

I teorien om supersymmetri har hver elementærpartikkel en superpartner, en slags skygge-partner. En boson har en superparten i en fermion og omvendt. Ennå har ingen forskere rapportert om funn av supersymmetriske partikler.

Kilde: Universitetet i Oslo

Må kunne sammenligne med data

Mens han venter, starter Kvellestad i motsatt ende. Med de rene teoriene. Disse sier ikke i seg selv noe om hva som forventes av dataene Rye og de andre eksperimentalistene jobber med. Kvellestad må sørge for at teorier og data kommer nærmere hverandre.

– For at vi skal gjøre vitenskap av dette, så må vi møtes. Vi må formulere teorier matematisk, og så må vi på en eller annen måte sammenligne dem mot data. Det er der den vitenskapelige prosessen foregår, sier han.

For å komme dit må han lage prediksjoner, antagelser om det sannsynlige, om hva som vil skje i eksperimentene.

– Fra standardmodellen kan du regne ut tusenvis på tusenvis av prediksjoner. Men det er ikke gjort i en håndvending. Det er et helt forskningsfelt i seg selv, sier Kvellestad.

Han skal også ha med litt supersymmetri for å prøve å tette hullene i standardmodellen. Han må regne ut sannsynligheter, kjøre simuleringer og prøve å ta hensyn til usikkerheter ved selve målingene.

Veldig mye å ta hensyn til

– Vi starter med det enkleste, og så gjør vi det heller mer og mer komplisert, forteller Kvellestad.

For eksempel:

– Hva er sannsynligheten for at to kvarker som kolliderer, produserer et chargino og et nøytralino? Det er noe vi kan regne ut med penn og papir.

Men det blir fort mer innfløkt. Det er nemlig ikke bare to ensomme kvarker som møtes.

– Det skjer veldig mye når protonene kolliderer i Cern. Det er andre partikler i nærheten, og de har en innvirkning, sier Kvellestad.

Siden det er protoner som sendes mot hverandre, og siden protoner er satt sammen av mindre partikler, må de også regne ut hvor sannsynlig det er at en kvark treffer en annen kvark i protonkollisjonen.

De må dessuten ta høyde for at hva det nå er som kommer ut av kollisjonen, kan forandre seg opptil flere ganger på veien til detektorene. Målingen skjer nemlig ikke midt inne i kollisjonen, og partiklene lever så kort at kan rekke å henfalle til andre partikler før de når målestasjonen.

– En viktig ting til som vi prøver å ta høyde for i simuleringene, er det vi kaller detektoreffekter. Detektoren, som alle andre vitenskapelige instrumenter, kommer med en usikkerhet, sier Kvellestad.

– Vi må rett og slett gjøre prediksjonene vår litt dårligere med vilje.

Trenger noe å sammenligne mot

Når han så til slutt kommer frem til en prediksjon om hva dataene vil vise, kan han sammenligne med data fra eksperimentene. Da kan han se om partiklene oppfører seg i tråd med standardmodellen eller om de avviker i den retningen han forventer ut fra supersymmetrien.

Her kommer det forenklede bildet av forskjellen mellom eksperimentalister og teoretikere litt til kort.

– Det er egentlig akkurat dette vi eksperimentalister gjør også. Det hjelper jo ikke å se på dataene om vi ikke har noe å sammenligne mot, sier Rye.

Men fordi slike eksperimentelle analyser er så kompliserte, tidkrevende og krever så mye ressurser, kan eksperimentalistene bare undersøke noen utvalgte varianter av nye teorier. Det betyr for eksempel at de må fokusere på noen få og nokså oversiktlige varianter av supersymmetri.

– Så er det opp til oss teoretikere å undersøke nøyaktig hva disse resultatene betyr for alle de andre teoriene som eksperimentalistene ikke har analysert, sier Kvellestad.

– Det kan for eksempel være mer kompliserte varianter av supersymmetri. Eller helt andre teorier som ikke har noe med supersymmetri å gjøre, men som også predikerer lignende 3-lepton-signaler i dataene.

Eli Bæverfjord Rye og Anders Kvellestad på besøk ved CMS-eksperimentet, én av fire kjempestore detektorer langs den 27 kilometer lange partikkeltunnelen.
Eli Bæverfjord Rye og Anders Kvellestad på besøk ved CMS-eksperimentet, én av fire kjempestore detektorer langs den 27 kilometer lange partikkeltunnelen.

Møtes i et histogram

Eksperimentalisten Rye og teoretikeren Kvellestad møtes i det de kaller histogrammer. Et histogram er et søylediagram som du kanskje kjenner fra valgsendinger på TV. I partikkelfysikkens tilfelle viser de hvor mange ganger en bestemt type kollisjon får bestemte utfall i eksperimentene.

For hvert datasett lages det tusenvis av histogrammer.

– Jeg lager for eksempel histogrammer der jeg langs x-aksen har bevegelsesmengden til leptonet med høyest bevegelsesmengde. Så teller jeg hvor mange kollisjoner som har akkurat så mye bevegelsesmengde for første lepton, forteller Rye.

Igjen er skillet mellom teoretikere og eksperimentalister flytende og litt unøyaktig.

– Eksperimentalistene gjennomfører også veldig sofistikerte beregninger på hva vi forventer fra standardmodellen, sier Kvellestad.

– Når vi teoretikere gjør slike analyser, så henter vi histogrammer med data og histogrammer med prediksjoner for standardmodellen direkte fra eksperimentalistenes publiserte analyse.

Jobben som gjenstår for teoretikeren, er å beregne histogrammer med teori-prediksjoner for hver eneste teori de vil undersøke. Han legger inn en stiplet linje i histogrammet som viser hvor og hvordan det bør avvike fra standardmodellen dersom teorien han tester er riktig.

På den måten kan Kvellestad gjennomføre statistiske analyser av samme type som det eksperimentalistene gjorde for sin teori.

– Dette samspillet mellom bidrag fra eksperiment og teori fører altså til at vi kan gjenbruke eksperimentalistenes resultater til å undersøke stadig nye teorier, sier Kvellestad.

– Slik sammenligner vi teorier, både standardmodellen og nye teorier, opp mot observerte data, sier Kvellestad.

Hvis dataene er helt i tråd med standardmodellen, kan den nye teorien utelukkes.

– Det høres kanskje trist ut, men det er godt nytt. Problemet er nemlig at du har et så enormt stort rom å utforske. Jo større biter du kan utelukke, jo flere kan fokusere på det som fortsatt er spennende.

Her er et eksempel på et histogram fra Atlas-kollaborasjonen med observerte data (svarte prikker), prediksjon fra standardmodellen (summen av de fargede søylene) og et eksempel på et hvordan et mulig supersymmetri-bidrag kunne sett ut (stiplet linje).
Her er et eksempel på et histogram fra Atlas-kollaborasjonen med observerte data (svarte prikker), prediksjon fra standardmodellen (summen av de fargede søylene) og et eksempel på et hvordan et mulig supersymmetri-bidrag kunne sett ut (stiplet linje).

Higgs-histogrammet

Det mest berømte histogrammet fra partikkelfysikken er det som ble publisert av Cern-forskere i 2012, da higgsbosonet ble påvist. En liten hump kunne endelig fortelle verden hvor stor massen var.

Først var den nesten ikke synlig, men jo mer data som ble tilgjengelig, desto tydeligere ble den.

Den lille humpen på den røde linja bekreftet at higgspartikkelen var funnet. Den blå streken bak viser hvordan dataene var forventet å fordele seg. De svarte prikkene (og den røde linja som er tegnet langs dem) viser de faktiske resultatene av eksperimentene.
Den lille humpen på den røde linja bekreftet at higgspartikkelen var funnet. Den blå streken bak viser hvordan dataene var forventet å fordele seg. De svarte prikkene (og den røde linja som er tegnet langs dem) viser de faktiske resultatene av eksperimentene.

– Higgs-oppdagelsen viser akkurat det vi leter etter. Vi ser etter avvik, sier Rye.

Kvellestads oppgave er å lage prediksjoner fra teoriene, som så kan forklare disse avvikene.

Det holder ikke å forklare ett eller ti histogrammer. Det finnes tusener av dem, og en teori bør kunne forklare så mange som mulig.

Mange teorier er ikke mulig å teste med dagens teknologi.

– Det kan hende at LHC ikke har nok energi til at vi kan observere de supersymmetriske partiklene. Selv om de skulle finnes, sier Rye.

Kanskje blir det bedre når Cern om noen år har oppgradert eksperimentene sine. Andre igjen må kanskje vente flere tiår.

– Det er lange tidshorisonter, sier Kvellestad.

Nå jobber han med å lage prediksjoner for neste runde på LHC.

– Jeg liker best å jobbe med teorier som kan testes i løpet av de neste 10–20 årene. Det blir mindre interessant for meg hvis vi aldri kan klare å teste teoriene, sier Kvellestad.

Flere enn Higgs forutså partikkelen

Higgsbosonet er oppkalt etter Peter Higgs, men det var flere som forutså denne partikkelen uavhengig av hverandre i 1964.

Duoen Robert Brout og François Englert og trioen Gerald Guralnik, C. Richard Hagen og Tom Kibble krediteres gjerne sammen med Higgs.

I 2013 fikk Higgs og Englert Nobelprisen i fysikk for arbeidet sitt.

Powered by Labrador CMS