Veit korleis, men ikkje kva

Partikkelfysikarar har inga aning om kva dei kan kome til å oppdage dei neste fem eller ti åra. Men dei veit sånn cirka korleis dei skal oppdage det.

Large Hadron Collider (LHC) befinner seg i en stor, rund bane langt under jorda ved CERN i Sveits. Forskere skal forsøke å gjenskape forholdene som var da verden ble til, ved å sende ørsmå partikler mot hverandre. Foto: CERN
Large Hadron Collider (LHC) befinner seg i en stor, rund bane langt under jorda ved CERN i Sveits. Forskere skal forsøke å gjenskape forholdene som var da verden ble til, ved å sende ørsmå partikler mot hverandre. Foto: CERN

Kollisjonsenergien i LHC

Den totale energien i kvar protonstråle i LHC tilsvarer eit hurtigtog på 400 tonn som suser av garde i 150 kilometer i timen.

Berre ein veldig liten del av denne energien blir frigitt kvar gong to partiklar i strålen kolliderer - noko tilsvarande eit titals mygg som flyg i lufta.

Du frigir faktisk mykje meir energi kvar gong du smell handflatene saman for å drepe ein av dei små blodsugarane.

Poenget er at energien er konsentrert på eit ekstremt lite område, på subatomær skala - rundt ein million million gonger mindre enn ein mygg.

Eit tankeksperiment: Kva om du fekk ei syltynn nål festa til den eine handflata før du klaska i hjel myggen? Sannsynligvis ville du redusere krafta i klasket betraktelig, og myggen ville sleppe fri.

Så mykje energi på så små partiklar skaper kollisjonar der partiklane blir pressa ekstremt tett saman.

Partiklane kjem opp i ei fart som er 0,999999991 gonger lysets hastigheit, men fysikarane er eigentlig ikkje mest opptekne av farta.

Mens ingenting kan reise raskare enn lyset, fins det nemleg inga grense for kor mykje energi ein partikkel kan få.

I det en partikkel nærmar seg lyshastigheta skal det stadig mer energi til for å øke hastigheita. Partikkelfysikarar tenkjer dirfor meir på energien til partikkelen.

Kvar protonstråle som fyk rundt LHC vil ha ein energi på 7 TeV (teraelektronvolt), så når to protoner smell saman vil kollisjonsenergien vere på 14 TeV.

I dagligdagse termar er ikkje dette spesielt mykje. Ein TeV tilsvarer omtrent bevegelsesenergien til ein flygande mygg.

Partiklane som utgjer kosmisk stråling kan for eksempel ha ein energi på fleire millionar TeV, og det er gjort nokre observasjonar som tyder på kosmisk stråling med energi på fleire hundre millionar TeV.
 

– Vi er på ein måte vår tids oppdagingsreisande. Tidlegare har folk lagt ut på havet utan å vite kva dei ville oppdage på vegen. I dag finst dei kvite flekkane på kartet ute i universet, seier Heidi Sandaker, postdoktor ved Institutt for fysikk og teknologi ved Universitetet i Bergen.

Sandaker driv med såkalla subatomær fysikk, det vil seie partiklar som er mykje mindre enn atom og molekyl. Saman med kollegaer frå heile verda, arbeider ho med eksperimenta ved CERN, den europeiske organisasjonen for kjernefysikk.

I korte trekk går eksperimenta ut på å finne ut kva som skjedde rett etter Det store smellet. I same slengen kan vi kanskje få meir informasjon om dei kvite flekkene på kartet.

Kvite flekker på kartet

– Ein har funne ut at alt det vi kan sjå, stjerner og lys og tinga som omgjev oss, berre utgjer omlag fire prosent av alt som finst i universet. Resten er mørk materie, som vi ikkje heilt veit kva er, og mørk energi som vi veit enno mindre om, seier Sandaker.

Altså utgjer dei kvite flekkane 96 prosent av kartet. Det seier seg sjølv at her kan det bli gjort store oppdagingar i åra som kjem.

– Ein kan lure på kvifor vi skal forske på kva som skjedde under Big Bang, men det har ein enkel grunn: Vi ønskjer å vite meir om kven vi er. Dei prosessane som skjedde den gongen, er jo årsaka til at det er liv på jorda og at verda ikring oss er som ho er i dag.

– Eg opplever stadig at folk eg møter, er veldig interesserte i å få vite meir om dette, seier ho.

Prøving og feiling

Då den store nye akseleratoren ved CERN, LHC (Large Hadron Collider) vart starta opp i fjor, gjekk det ulukkelegvis ikkje lang tid før det utvikla seg resistans i ein skøyt mellom to leidningar, og den plutselege varmeutviklinga gjorde at denne delen av akseleratoren vart øydelagt.

Heidi Sandaker. (Foto: Thor Brødreskift)
Heidi Sandaker. (Foto: Thor Brødreskift)

Det er slikt som skjer når ein er på veg inn i ukjent terreng. No er skaden snart retta opp, og mot slutten av året skal LHC startast på nytt.

– Det er eigentleg utruleg at vi kom så langt som vi gjorde før noko gjekk gale. Det er jo ingen som har gjort dette før, og dei fleste veit at når ein bygger noko for første gong, blir det sjeldan heilt perfekt. Men det hadde jo vore betre om det som gjekk gale, var noko som gjekk fortare å reparere, vedgår Sandaker.

For sjølv om partikkelfysikarane ikkje veit kva dei kan kome til å oppdage i åra framover, så har dei ganske god oversikt over kva utstyr som må byggast for å oppdage dette ukjende.

LHC er ein 27 kilometer lang tunnel der strålar av proton blir akselererte til nær lysfart før dei skal kollidere med kvarandre.

Maskinen vil gi partiklane meir energi enn ein nokon gong tidlegare har klart å få til i ein partikkelakselerator. For å finne dei partiklane som vi enno ikkje har funne, må vi oppsøke dei energimengdene der partiklane finst. Di meir energi, di nærare kjem vi dei tilhøva som fanst under Big Bang.

Forskingsutstyr til beste for samfunnet

Å konstruere slike maskiner er eit forskingsarbeid i seg sjølv. På vegen mot mørk materie må forskarane finne opp ein del nytt utstyr som kjem samfunnet til gode lenge før dei forskingsresultata vi eigentleg er på jakt etter, ser dagens lys.

For å skape mini-Big Bang, trengst det maskiner som kan produsere og handtere enorme mengder energi, og detektorar som kan spore partiklane som blir produserte. Teknologien i desse maskinene har andre bruksområde enn berre fysikkeksperiment.

– Det er blitt noko av ein tradisjon at detektorteknologi blir teken i bruk i medisinen, til dømes. Mange er ikkje klar over det, men partikkelfysikk er ein viktig teknologi på sjukehusa, seier Sandaker.

Det klassiske dømet er røntgenstråling, som vart oppdaga gjennom fysikkeksperiment, og raskt teken i bruk i medisinen. Når det gjeld datateknologi, er World Wide Web det mest kjente dømet.

– Det oppsto av eit behov som partikkelfysikarane ved CERN hadde for å kunne kommunisere raskt med kvarandre.

– Men det viste seg jo at det ikkje berre var fysikarar som hadde nytte av denne teknologien, og no er det vanskeleg å tenke seg livet utan, seier Sandaker.

Bygger detektorar

Ved UiB er forskarane involvert i planlegging og utføring av partikkelkollisjonane ved CERN, men også i bygginga av detektorar. Dei store detektorane skal kunne spore alle partiklar og all energi som kjem til syne i ein kollisjon mellom partiklar.

Dersom noko oppfører seg merkeleg, kan det vere at ein har oppdaga den løyndomsfulle mørke materien, eller den like løyndomsfulle Higgs partikkel, som ifølgje teorien bør eksistere, men som ingen så langt har observert.

– No er vi opptekne med å utvikle neste generasjon av detektorar til eksperimenta. Vi reknar med at dei indre delane av detektoren må skiftast ut etter om lag tre år, på grunn av strålingsskader.

– Samstundes samarbeider vi med PET-senteret på Haukeland universitetssjukehus, som nyttar teknikkar frå kjernefysikk til å ta bilete av biologiske prosessar i kroppen, for å sjå om vi kan utvikle nokre av våre detektorar til å forbetre teknologien dei nyttar ved PET-senteret.

I tillegg har norske forskarar vore aktive i utviklinga av grid-teknologi: Dataverktøyet som skal gjere det mogleg å analysere dei enorme datamengdene som vil kome ut når LHC har byrja operere for alvor.

Det er uråd å lage datamaskiner som er kraftige nok til å ta unna desse datamengdene, og i staden baserer forskarane seg på å nytte reknekapasitet frå ei mengde datamaskiner som er kopla saman. Dette prinsippet er nyttig også for andre som treng å gjere store utrekningar, til dømes vêrvarsel.

– Korleis går de fram for å be styresmakter om pengar til all denne dyre forskinga?

– Dei fleste forstår jo at når vi oppdagar noko nytt, så kan det som oftast brukast til noko. For eit land som Noreg, som ikkje har så mykje anna enn olje å falle tilbake på, er forsking spesielt viktig. Nettopp i ein vanskeleg

Powered by Labrador CMS