En partikkelakselerator sender ut stråler med milliarder av partikler bare i løpet av noen mikrosekunder. Etter noen kilometer i en fart opp mot lysets hastighet, tvinges den til å kollidere med en møtende stråle.

I den store akseleratoren på Cern utenfor Genève, for eksempel, suser protoner rundt i den 27 kilometer lange, sirkelformede tunnelen. Fire steder på veien står enorme sensorer der strålene møter hverandre. Det er i disse kollisjonspunktene at forskerne følger med på hva som skjer. Og da er det om å gjøre at flest mulig partikler faktisk kolliderer.

I slike hastigheter og med så bitte små partikler er det ikke mye som skal til før de bare suser forbi hverandre.

– Hvis partikkelstrålene bommer på hverandre, har du brukt mye energi, tid og krefter på å akselerere dem, og så er det bare bortkastet, sier fysiker Kyrre Ness Sjøbæk fra Universitetet i Oslo.

Da gjelder det å holde strålen midt i vakuumrøret den suser gjennom. Og å sørge for at den er så samlet som mulig.

På Cern forsker Sjøbæk på teknologi som skal sørge for begge deler i fremtidens partikkelakseleratorer. Teknologien han jobber med, kan også bidra til å gjøre akseleratorene mer kompakte og mindre plasskrevende.

Til kreftbehandling

Det vil være veldig praktisk når slike partikkelakseleratorer skal brukes andre steder enn på enorme forskningsanlegg som det på Cern. Partikkelfysikken har nemlig nytte også utenfor miljøet av partikkelfysikere.

På testlaben der Sjøbæk driver sine eksperimenter, er det også plass til andre som vil teste ut bruk av små partikler i enorme hastigheter.

– Vi har gjort en del eksperimenter med det som kalles flashterapi. Det er en type stråleterapi, hovedsakelig for kreft. Det går ut på at du gir hele stråledosen i en veldig, veldig kort puls istedenfor flere stråledoser over et langt tidsrom.

Tanken er at man sørger for samme skade på det du vil ha bort, men mindre skade på friske deler av vevet. Et annet eksempel er forskningen på Oslo universitetssykehus som tester ut bruk av både elektron- og protonstråler for å kartlegge og behandle kreftsvulster.

Anlegget er også brukt til å teste databrikker til satellitter som skulle sendes til Jupiter.

– Rundt Jupiter er det mye elektroner med veldig høy energi, ganske tilsvarende det vi har i strålen vår, sier Sjøbæk.

Etter testing på laben fant de ut om det var nødvendig med endringer eller forbedringer.

Viktig å holde strålen i midten

Strålen i en partikkelakselerator er delt opp i mange bunter av partikler. Hver bunt har noen milliarder partikler.

– Hvis strålen går midt i hullet, er alt helt fint. Men hvis den går noen titalls mikrometer til siden, så blir det en sterk asymmetri, sier Sjøbæk.

– Hvis en bunt kommer langt ut til siden, vil halen på bunten dyttes utover, og du får en sleng på halen.

Når den da etter noen kilometer møter en bunt som kommer motsatt vei, og som i verste fall har en tilsvarende sleng til den andre siden, vil partiklene i halen ikke ha noen å kollidere med. Og uten kollisjoner får ikke forskerne data de kan bruke til å forstå mer av hvordan verden fungerer på denne aller minste skalaen.

Justerer og korrigerer strålen

Sjøbæk følger derfor spent med på eksperimentene han er med på ved Cerns eget testlaboratorium. Denne laben kalles Clear, som er et akronym for Cern Linear Electron Accelerator for Research. I en 35 meter lang mini-partikkelakselerator prøver Sjøbæk å sørge for at strålen holder seg i midten av røret mens den blir akselerert.

– Ved hjelp av åtte antenner måler vi strålens posisjon. Installasjonen ser ut som et kobberrør med masse CD-plater, også de av kobber, inni, forteller Sjøbæk.

Strålen går gjennom hullene i midten av disse CD-platene. Hullet er rundt én centimeter i diameter, og Sjøbæk kan altså se om strålen holder seg i midten. Så kan de enten flytte på selve strukturen eller justere på noen av magnetene som fikk partiklene opp i fart, før de sender en ny stråle gjennom for å se om den holder retningen bedre.

Fokuserer strålen

Like viktig som å holde partikkelstrålen i sentrum, er det å holde den samlet.

– Hvis du bare lar strålen fly gjennom et vakuumrør, vil den utvide seg. Etter hvert blir strålen så stor at deler av den vil gå ut av røret, sier Sjøbæk.

En diffus stråle vil gi færre kollisjoner enn en som er samlet og kompakt. Derfor prøver forskerne å stramme den opp slik at flest mulig partikler treffer hverandre i kollisjonspunktene.

– Da trenger vi ikke å akselerere like mange partikler. Vi får like mye data med færre stråler, sier Sjøbæk.

Dette er målet med det andre eksperimentet han jobber med på Cern.

Presser strålen sammen

Denne teknologien kalles en plasmalinse. «Linse» fordi det matematisk sett fungerer akkurat som en konveks linse. Det som er inni røret ligner ikke på en kameralinse eller en kontaktlinse, men det fungerer på samme måten i regnestykkene.

Et plasma er egentlig en gass i et rør som forskerne sender en høyspenningspuls gjennom. Da blir elektronene revet løs fra atomkjernene sine; gassen blir ionisert, som forskerne kaller det.

– Når elektronene er fri, kan de bevege seg og dermed lede strøm. Vi sender en kjempesterk strøm gjennom plasmaet, som dermed lager et magnetfelt. Dette magnetfeltet fokuserer strålen, sier Sjøbæk.

Det presser strålen sammen i midten av røret.

– Det fine med det er at det fokuserer strålen både horisontalt og vertikalt.

Magnetene som brukes i dagens LHC-akselerator, fokuserer enten horisontalt eller vertikalt. Og det de ikke fokuserer, det defokuserer de. Da er det nødvendig med mange av dem etter hverandre for å få et fokuserende system.

Fremtidens partikkelakseleratorer

I løpet av et par år skal Cern bestemme seg for om de skal bygge ny og større akselerator.

Da må de velge om de skal bygge en sirkelformet tunnel som er fire ganger så lang som dagens 27 kilometer lange. Eller om de skal lage en som er helt rett, kanskje opptil 50 kilometer lang.

Sjøbæks teknologi er rettet mot en eventuell lineær akselerator. Han innrømmer at han håper det er det valget Cern faller ned på. Sjøbæk har jobbet mye på Cern helt siden han gjorde eksperimenter der til masteroppgaven sin i 2008, og han er ikke redd for å miste jobben uansett hva valget måtte bli.

– Nei, jeg tror ikke det. Det er mye spennende du kan gjøre med begge teknologiene. Det er mange av de samme tingene som går igjen, sier Kyrre Ness Sjøbæk.

Artikkelen er produsert og finansiert av Universitetet i Oslo

Universitetet i Oslo er én av 77 eiere av forskning.no. Deres kommunikasjonsansatte leverer innhold til forskning.no. Vi merker dette innholdet for å tydelig skille formidling fra uavhengig redaksjonelt stoff.
Her kan du lese mer om ordningen.

Studenter holder hjulene i gang i partikkelfysikkens Mekka

Utvider jakten på mørk materie

Thorium er Norges nasjonalgrunnstoff