Hundre meter under bakken, på grensa mellom Sveits og Frankrike, ligger det enorme forskningsanlegget CERN, med en partikkelakselerator av dimensjoner som fantasien knapt kan matche:

Flere mil lange underjordiske racerbaner. Partikkel-detektorer så store som boligblokker. Verdens største elektromagneter. Og et energiforbruk tilsvarende en middels europeisk by.

I dette avsindige maskineriet krasjer forskere sammen ørsmå partikler i nær lysets hastighet, for å finne ut mer om veven av krefter og partikler som verden er lagd av.

Men hvordan kom vi egentlig hit?

Hvordan oppstod den vanvittige ideen om å krasje ting sammen for å finne ny kunnskap? Og hvordan ble maskinene så usannsynlig digre?

En gyllen start

Han skulle jammen visst hva han startet, Ernest Rutherford, da han satt og pønsket ut et finurlig lite forsøk med et tynt ark av gullfolie og en liten klump radioaktivt stoff i en boks.

For det var der, i 1911, med boksen og gullfolien, at galskapen begynte.

– Det var Rutherford som fyrte av startskuddet for kappløpet om å bygge akseleratorer med stadig større energi, skriver Andrew Sessel og Edmund Wilson i boka «Engines of discovery».

Rutherfords plan var å teste hypotesen til læremesteren, professor Joseph Thomson.

Den handlet om atomet. Forskningen innen kjemi hadde vist at stoffene i verden trolig var satt sammen av ulike ørsmå byggesteiner – atomer. Forskerne hadde lenge ment at atomene var verdens minste, udelelige byggesteiner.

Men på slutten av 1800-tallet hadde Thomson gjort en svært oppsiktsvekkende oppdagelse: Atomer kunne gi fra seg noen ørsmå partikler, som fikk navnet elektroner.

Dette betydde at atomet slett ikke var udelelig, men måtte bestå av mindre biter.

Les mer om Thomson og oppdagelsen av elektronet her.

Bolledeig-atomet

Ikke lenge etter presenterte Thomson en modell over hvordan atomet kunne se ut. Han forestilte seg atomet som en slags bolledeig med positiv elektrisk ladning, hvor små negativt ladede elektroner satt rundt som rosiner i deigen.

Men både bolledeigen og rosinene var selvfølgelig altfor små til at noen kunne studere dem i et mikroskop. Så hvordan kunne man sjekke om Thomsons atommodell var riktig?

Det er her Rutherford kommer inn. Han tenkte rett og slett:

Vi skyter partikler på atomer og ser hvordan partiklene oppfører seg.

Det blir litt som å kaste baller ut i et mørkt rom. Hvis noen av ballene kommer tilbake, vet du at det er noe der ute. Og farten og retningen ballene returnerer i, kan fortelle deg noe om formen og egenskapene til det som finnes ute i mørket.

Partikkelkanon

Ideen til Rutherford var faktisk mulig å gjennomføre på dette tidspunktet. Forskerne hadde nemlig ikke bare funnet elektronet, men også andre partikler.

Litt over et tiår tidligere hadde forskere oppdaget radioaktivitet – altså at noen materialer sendte ut en type stråler som lagde flekker på ueksponert fotofilm eller fikk fluoriserende stoffer til å lyse.

Og Rutherford selv hadde funnet ut at en type radioaktiv stråling bestod av partikler, såkalte alfapartikler.

Dette betydde at radioaktive stoffer rett og slett kunne brukes til å lage en liten partikkelkanon.

Rutherford – eller strengt tatt studentene hans som utførte forsøket – la radioaktivt stoff i en kasse av bly med et lite hull i den ene siden. Blyet stoppet all alfastrålingen, bortsett fra en stråle som stod ut av hullet.

Så pekte forskerne strålen mot en folie av gull, som var så flortynn at den bare var noen få atomer tykk.

Bak og på sidene av gullfolien var det plater med fluoriserende belegg. Når en alfapartikkel traff dette belegget, ble det skapt en liten lysprikk i treffpunktet.

Dermed var det mulig å se om alfapartiklene i strålen gikk tvers igjennom gullet eller om de bøyde av.

Så hva skjedde?

Som å skyte granater på silkepapir

Hvis gullatomene virkelig var en slags deigklumper med elektroner i, ville de svært energirike alfapartiklene trenge rett igjennom og treffe den fluoriserende plata rett bak gullfolien.

Men det var ikke det som skjedde.

Riktignok fløy de aller fleste alfapartiklene igjennom. Men noen få bøyde av og traff veggen i ulike vinkler. Enkelte artikler snudde utrolig nok helt rundt og spratt tilbake mot blyboksen.

Det var fullstendig uventet.

– Det var nesten så utrolig som om du skjøt en 15 tommers granat på et silkepapir, og den kom tilbake og traff deg, sa Rutherford ifølge Encyclopædia Britannica.

Hvis noe skulle kunne reflektere de energirike alfapartiklene på denne måten, måtte det bestå av ekstremt tett stoff.

Til sammen ga informasjonen fra forsøket en revolusjonerende erkjennelse:

Atomet må bestå av nesten bare tomrom!

I stedet for en bolledeig som fylte hele plassen, måtte nesten all massen i atomet være samlet i en bitte liten, utrolig tett kjerne. Resten bestod av tomrom hvor noen ekstremt små og lette elektroner suste rundt.

Rutherfords atommodell, publisert i 1911, ble begynnelsen på vår moderne forståelse av atomer.

Trengte mer energi

Det første forsøket med å krasje partikler inn i stoffer for å undersøke dem var altså en dundrende suksess.

I årene som fulgte, gjorde både Rutherford og andre forskere mange ulike studier med alfapartikler fra radioaktive stoffer. Noen av disse forsøkene antydet at selv ikke kjernen i atomet var udelelig, men var satt sammen av enda mindre deler.

Rutherford så for seg at kjernen bestod av tett sammenpakkede partikler som han kalte protoner.

Men hva var de? Hvilke egenskaper hadde de?

Igjen funderte forskerne på de kunne finne ut mer ved hjelp av partikler. De hadde regnet seg fram til at protonene i kjernen måtte holdes sammen av sterke krefter.

Men kanskje var det mulig å få kjernen til å gå i stykker hvis man skjøt på den med partikler med veldig høy energi?

Problemet var bare at partiklene fra de kjente kildene til partikler, som vakuumrør og radioaktive stoffer, ikke hadde i nærheten av nok energi til å klare dette.

I en berømt tale i Royal Society i 1927 utfordret Rutherford verdens fysikere til å finne opp utstyr som kunne skaffe partikler med høyere fart og energi.

Altså, partikkelakseleratorer.

Elektriske felt

Flere forskere svarte på Rutherfords oppfordring.

Allerede tidlig på 1930-tallet var fysikerne John Cockcroft og Ernest Walton i gang med å lage en maskin som kunne gi partikler mer energi.

Prinsippet var enkelt nok:

Det baserer seg på at noen partikler har elektrisk ladning.

Slike partikler blir påvirket av elektriske felt, altså et område der det virker elektriske krefter. En ladd partikkel som kommer inn i et slikt felt, vil bli akselerert.

Jo sterkere spenning det er i feltet, jo mer blir partiklene akselerert. I et lufttomt rør vil ingenting bremse partiklene. Slik kan man altså bruke sterke elektriske felt til å gi partikler større fart.

Utfordringen var å lage maskiner med høy nok spenning.

Splittet atomet

Det var dette Cockcroft og Walton klarte. De bygde en diger maskin som skapte en voldsom spenning, på hele 600.000 volt. Til sammenligning er spenningen over strømnettet i huset ditt bare 230 volt.

Ved hjelp av maskinen, klarte de to fysikerne å akselerere partiklene til stor energi. Den gangen svimlende 700.000 elektronvolt.

Da Cockcroft og Walton skjøt disse partiklene på atomer av stoffet litium, delte atomkjernen seg og friga energi og radioaktiv stråling. I 1932 publiserte de to forskerne resultatene:

De hadde klart å splitte atomet.

Dette var en enorm oppdagelse. Ikke bare hadde forskerne bevist at kjernen i et atom virkelig bestod av mindre deler. Menneskene hadde også for første gang klart å skape en kjernereaksjon.

Slik splitting av atomkjerner kalles fisjon. Det er nettopp denne mekanismen som i dag gir millioner av mennesker energi fra kjernekraftverk, og som gir legevitenskapen redskaper som PET-skannere og ulike medisiner. På den mer negative siden er dette også mekanismen i atombomber.

Flere elektriske dytt

Igjen hadde altså det å krasje partikler inn i stoffer gitt et fundamentalt framskritt i forskningen.

Mange forskere var overbevist om at partikler med enda mer energi ville kunne brukes til å gi stadig dypere innsikt i verdens minste byggesteiner.

Men det var vanskelig å tenke seg at Cockford og Waltons maskin kunne gi slike partikler.

Det er nemlig en grense for hvor mye elektrisk spenning du kan bygge opp før det rett og slett lyner – det skjer en elektrisk utladning, hvor en gnist skyter ut til materialene omkring, og utligner spenningen.

Løsningen var imidlertid allerede under utvikling.

Cockford og Waltons var nemlig ikke de eneste som hadde tatt Rutherford oppfordring på ordet.

En av de andre som hadde latt seg inspirere, var en ung mann fra Norge:

Rolf Widerøe.

Han skulle vise seg å bli en svært viktig figur, med en finger med i spillet i mange av de avgjørende skrittene framover mot våre dagers eksperimentelle partikkelfysikk.

Bygde ny type akselerator

Som student ved universitetet i Aachen i Tyskland hadde Widerøe kommet over en interessant ide, publisert av den svenske fysikeren Gustav Ising.

Ising hadde funnet opp en teknikk for å bygge opp farten og energien til partiklene, ved å gi dem flere elektriske «dytt», uten å bruke voldsomme spenninger. Men svensken hadde ikke klart å få maskinen sin til å virke.

Det var her Widerøe tok fatt. Som en del av doktorgradsarbeidet sitt i 1928 bygde han en forenklet versjon av Isings modell og demonstrerte at den fungerte.

Han beskrev også prinsippene for betatronen, en ringformet akselerator. Disse ideene ble publisert i et tysk vitenskapstidsskrift.

Widerøes modell og ideer om betatronen var en viktig del av grunnlaget for utvikling av moderne partikkelakseleratorer.

Widerøe lagde ikke selv noen betatron. Men beskrivelsene hans fant veien videre. Et eksemplar av det tyske tidsskriftet ble nemlig liggende i biblioteket ved Berkeley University i USA.

Partikler i ring

Tidlig på våren i 1929 satt en fysiker ved navn Ernest Lawrence i det selvsamme biblioteket. Han hadde plukket opp nettopp det tyske tidsskriftet og bladde fascinert i artikkelen om partikkelakseleratorer.

Lawrence kunne ikke tysk, men han forstod Widerøes tegninger og matematiske utregninger. De beskrev hvordan man kunne bygge en sirkelformet akselerator, der partiklene kunne suse rundt og rundt i stadig større fart.

På ett sted i ringen satt det et elektrisk felt som ga partiklene en dytt – og dermed større energi – for hver runde. Men sirkelformede akseleratorer hadde en tilleggsutfordring:

Hvordan fikk de partiklene til å gå rundt, og ikke bare krasje i nærmeste sving?

Her kom Widerøe nok en gang med en løsning: Partikler med elektrisk ladning lar seg påvirke av magneter. Ved å bygge inn elektromagneter langs den sirkelformede banen ble det mulig å bøye av ferden til partiklene, slik at de fulgte sirkelen.

Lawrence tok utgangspunkt i Widerøes ideer og la til sine egne. I 1930 fikk han en av studentene sine, Stanley Livingston, til å bygge en prototype av en helt ny type akselerator:

Syklotronen.

Millioner av elektronvolt

I motsetning til Cockcroft og Waltons digre maskin var den første syklotronen bitte liten. Så liten at den fikk plass i en hånd. Likevel kunne den skape partikler med høyere energi enn kjempemaskinen til Cockroft og Walton.

Og dette var altså bare prototypen.

Forskerne ved Berkeley satte i gang byggingen av stadig større og kraftigere syklotroner. I 1939 kunne universitetet skryte av en 1,5 meter bred maskin som kunne levere partikler med 16 millioner elektronvolt.

Med større energi kunne forskerne bruke partiklene til å skaffe stadig dypere kunnskap om stoffene rundt oss. Syklotronene ble for eksempel brukt til å finne mange isotoper, altså ulike versjoner av det samme grunnstoffet.

Teknologien ble også benyttet til å skille ut den radioaktive isotopen Uran 235, som ble brukt i Manhattanprosjektet – forskningen som kulminerte i utviklingen av atombomben.

Men syklotronene hadde et problem.

Etter hvert som partiklene fikk større energi, gikk de også i stadig videre baner. Dette satte en begrensning for hvor mye energi partiklene kunne få før banen ble for stor og de krasjet i veggene.

Synkrotronen

Løsningen ble synkrotronen.

Den holdt partiklene på plass ved å gradvis øke styrken på magnetfeltene, etter hvert som partiklene fikk stadig mer energi.

På denne måten kunne forskerne ikke bare holde partikkelstråler gående i lang tid. De kunne også gi dem energi nesten opp mot lyshastigheten.

Den første synkrotronen ble bygd i Brookhaven i USA og sto ferdig i 1952.

Dette var virkelig framtidas teknologi. De aller kraftigste akseleratorene som brukes i dag, inkludert Large Hadron Collider (LHC) ved CERN, er nettopp synkrotroner.

Det var likevel enda et viktig skritt som gjenstod, før forskerne virkelig fikk sprengt opp døra til den verdenen av subatomiske partikler som vi nå vet eksisterer.

Fra å knuse til å lage partikler

Da historien om partikkelakseleratorer startet, handlet mye om å slå ting i stykker. Altså – å knuse atomet for å se hva som var inni. Eller å bombardere noe med partikler for å se hvordan partiklene spratt rundt.

I 1968 ble for eksempel SLAC i USA brukt til å skyte elektroner på protoner. Måten elektronene spratt tilbake antyder at det fantes små punktaktige partikler inne i protonene. Dette var de første glimtene av kvarker.

Men det å krasje partikler sammen kan også innebære noe helt, helt annet.

I vår vanlige hverdag er krasj ensbetydende med ødeleggelse. Du knuser en vase eller bulker en bil.

Men i partiklenes verden kan utrolig nok det motsatte skje: Du kliner to ting inn i hverandre og får noe nytt. Som om du skulle smelle to vaser sammen, og så oppstår det plutselig en tekanne og to kopper.

Det hele henger sammen med Einstein og den berømte likningen hans.

Masse er energi

E=MC2

Du trenger kanskje å være Einstein for å komme opp med ideen. Men på en måte er betydningen av denne genistreken ganske enkel.

Likningen sier rett og slett at masse og energi er det samme. Partiklene som er byggesteinene i oss og verden rundt oss, er altså lagd av energi.

Det åpner for en svimlende erkjennelse:

Du kan (under visse omstendigheter) forvandle partikler til ren energi. Og ikke minst – hvis du klarer å samle nok energi på samme sted, kan du lage nye partikler.

For forskerne betyr dette en nærmest vanvittig mulighet.

Ved å krasje partikler med ulik mengde energi kan du ikke bare å undersøke de stabile partiklene som finnes rundt oss på jorda, men også ustabile partikler eller partikler som vanligvis bare oppstår i sola eller kun fantes ved universets begynnelse.

Slike krasj krever imidlertid kollisjoner med helt latterlig store mengder energi.

De nye synkrotronene var allerede i stand til å akselerere partikler opp i nesten lystes hastighet – den øvre grensen for hvor fort det er mulig å bevege seg.

Hvordan kunne forskerne klare å gi partiklene enda mer energi?

Frontkollisjon

Igjen var Rolf Widerøe først ute med en revolusjonerende ide:

En collider.

Altså: Hva om vi ikke krasjer en stråle med partikler inn i en klump med stoff? Hva om vi i stedet akselererer to partikkelstråler i hver sin ring, i hver sin retning, og så lar dem frontkollidere? Da blir energien i smellet mye større.

Den norske fysikeren tok patent på ideen allerede i 1943, lenge før teknologien var moden for å bygge en slik maskin.

Det er ikke vanskelig å forestille seg hvorfor det tok mange år før denne fysiske feberfantasien ble virkelighet. Du skal altså få ufattelig små partikler til å treffe hverandre midt på, i lysets hastighet.

Det er som å kollidere to skyer, skriver forfatterne av boka Engines of discovery.

Enorme mengder arbeid gikk med på å fokusere strålene og få til kollisjoner med høy nok energi.

Men på begynnelsen av 1960-tallet begynte forskerne å nærme seg.

I 1961 registrerte forskere det første vellykkede krasjet, ved Ada-akseleratoren i Frascati i Italia. Den kunne akselerere partikler opp til en energi på 250 millioner elektronvolt.

I de neste tiårene ble det bygd collidere flere steder i verden. Det var enorme maskiner, konstruert og operert av tusenvis av fysikere.

Den aller største av dem alle er Large Hadron Collider, LHC, ved CERN. Her akselereres partikler i en 27 kilometer lang sirkelformet bane under jorda, før de braker sammen med en energi på opptil 13 teraelektronvolt. Altså 13 tusen milliarder elektronvolt.

Detektorer på størrelse med boligblokker registrerer partiklene som spruter ut av smellet.

En zoo av partikler

Collideren åpnet et nytt kapittel i historien om partikkelfysikken.

Nå kunne forskerne endelig lage krasj med nok energi til å etterligne betingelsene vi tror fantes da universet var nyfødt. Og under disse betingelsene begynte helt nye partikler å dukke opp.

I tiårene fram mot våre dager fant forskerne ut at protonene i atomkjernen er satt sammen av ulike kvarker, holdt sammen av en energibærende partikkel som har fått navnet gluon.

I tillegg har det dukket opp en liten zoo av andre partikler, som myoner, bosoner og nøytrinoer.

Teoretiske beregninger og beviser fra partikkelakseleratorene bekreftet at det finnes et helt sett med partikler, som til sammen utgjør Standardmodellen – en svært omfattende teori om hvordan universet virker.

• Les også : Klinkekuler, energipakker eller bølger: Hva er egentlig en elementærpartikkel?

Formet hele det moderne samfunnet

Hadde Rutherford drømt om noe slikt, da han oppfordret fysikere til å lage maskiner som kunne akselerere partikler?

Neppe.

Spranget fra det lille eksperimentet med gullfolien til partikkelakseleratoren LHC er hinsides fantasien.

Det er også konsekvensene av kunnskapen partikkelfysikken har skaffet oss.

– Hele det moderne samfunnet er basert på utviklingen av fysikken de siste 100 årene, sier Steinar Stapnes, professor i høyenergifysikk ved Universitetet i Oslo.

– Hele ideen om atomer og all vår kunnskap om materialer og strukturer kommer ut av det vi vet om materie på denne skalaen.

Det gjelder for eksempel kunnskapen vår om halvledere, som legger grunnlaget for all datateknologi.

– Dette fortsetter. Og ikke bare med fysikk som drivkraft, men andre viktige naturvitenskaper, ikke minst livsvitenskapene former nå fremtiden, sier Stapnes.

Men for fysikerne var den praktiske bruken aldri målet.

Da Rutherford pønsket ut gullforsøket, da Cockcroft og Walton splittet atomet, da Lawrence virkeliggjorde Widerøes ide om en syklotron, var det aldri for å lage noe som kunne benyttes i hverdagen.

Oppfinnelsene og oppdagelsene sprang i stedet ut fra en av menneskets mest grunnleggende og karakteristiske egenskaper:

Kriblende, ustoppelig nysgjerrighet.