Vitskapens svarte hol

Når ATLAS blir skrudd på ein gong i 2007, står fysikarar over heile verda klare til å leite etter forklaringar på kvifor verda er blitt som ho er blitt.

Publisert

Verdas største laboratorium i partikkelfysikk ligg utanfor Genève, på grensa mellom Sveits og Frankrike, og ser nokså shabby ut på overflata. Bygningane er gamle og ikkje like solide over alt. Vindauge har byrja losne her og der.

Det er under bakken, i den store, sirkelforma akseleratoren som måler 27 kilometer i omkrins, at eksperimenta går føre seg. Der nede er det ingenting som ser shabby ut. Berre litt rotete. Det er midt i byggefasen.

Teorien om alt

Vi har teke heisen ned til om lag 100 meter under bakkenivå. Her tek den nye akseleratoren Large Hadron Collider (LHC) gradvis form. ATLAS er namnet på eitt av dei fire eksperimenta som er plassert nede i tunnelen, og er saman med ALICE-eksperimentet det eksperimentet Universitetet i Bergen (UiB) er mest involvert i.

ATLAS er ein allround-detektor som skal spore opp det meste. Mest same kva som skjer i ein partikkelkollisjon, skal ATLAS greie å fange det opp. Difor er han bygd litt som ein lauk: lag på lag. Den ferdige detektoren skal vere 44 meter lang og 22 meter høg - om lag som eit femetasjes hus.

- Ulike partiklar reagerer ulikt, og difor har vi ulike detektorar i lag utanpå kvarandre, slik at vi kan skilje mellom dei ulike typane av partiklar. Detektorane må vere meir nøyaktige og fintmerkande di nærare kollisjonssenteret dei ligg, fortel Steinar Stapnes. Han er nestleiar for ATLAS, og prosjektleiar for det indre detektorsystemet på eksperimentet.

Det meste av dagens kunnskap om partikkelfysikk er oppsummert i det som blir kalla Standardmodellen. Standardmodellen gjev mange forklaringar, men der er også mange hol. Har vi funne dei minste partiklane i materien, eller er desse partiklane i sin tur sett i hop av enno mindre partiklar? Kva er grunnen til at partiklar har den massen dei har? Kvifor greier vi ikkje å inkludere gravitasjonskrafta i Standardmodellen?

Desse hola kan ATLAS kanskje vere med på å fylle. Mange vonar at vi snart kan vere ein god del nærare ein teori som sameinar alle vekselverknadene i naturen, den såkalla Theory of Everything (TOE).

Må skunde seg å måle

Førebels er det berre den indre kjernen i ATLAS-detektoren som er på plass. Her skal protonstrålane møtast og kollidere. Dei kjem i små buntar, nokre centimeter lange og nokre få milliondels meter i radius. Buntane kjem med nokre meters mellomrom, og dei har ein fart som ligg nær lysfarten. Det vil seie at det skjer ein kollisjon 40 millionar gonger kvart sekund.

Heilt inst i detektoren er eit sporingskammer, der banen til partiklane blir målt. I den augneblinken partiklane møter massive detektorar, bli banen deira forstyrra. Konsekvensen er at ein må gjere seg ferdig med å måle banen før partiklane treff andre detektorelement.

- Aller helst vil vi at det inste området skal vere stort og fullt av detektorar som ikkje tek plass eller veg noko som helst. Det er ei sjølvmotseiing, men det er i alle fall viktig å lage presise, effektive detektorsystem som veg minst mogleg, forklarer Egil Lillestøl.

Han er professor ved Institutt for fysikk og teknologi ved UiB, og har hatt tilhald ved CERN i store delar av karrieren. No er han ansvarleg for CERN sine sommarskular i partikkelfysikk.

Utanfor sporingskammeret kjem det ulike kalorimeter, som måler energien til dei ulike partiklane. Nøytrale partiklar kjem først til syne her, dei set ikkje spor etter seg i sporingskammeret. Steinar Stapnes peikar på nokre store tankar som står innmed veggen.

- Dei er leverte av eit norsk firma, og skal brukast til å oppbevare flytande argon. Kalorimeteret er fylt med flytande argon og plassert i eit sterkt elektrisk felt. Partiklane som kjem inn, vil ionisere den flytande gassen, og denne ioniseringsenergien kan vi måle, fortel han.

Førti millionar per sekund

Når eksperimentet går, vil det bli mykje stråling her inne. Difor er mykje av elektronikken som skal ta unna dei enorme datamengdene, plasserte i andre rom, med solid fjell imellom.

Vi må gå gjennom ein tunnel for å kome dit. Der finst krafttilførsel, kjølesystem, avlesarar og kontrollpanel for temperatur og liknande. Steinar Stapnes tek oss med bort til skåpa med signalavlesarmodulane. Her skal førti millionar kollisjonar per sekund lesast ut.

- Synkroniseringa har alt å seie. Før den første bølgja med signal er komen igjennom detektoren, kjem den neste, og det er ei utfordring å passe på at vi alltid kombinerer dei rette signala.

Oppe på bakkenivå arbeider dei på spreng med å sette saman innmaten i detektoren. Det skjer i eit såkalla «clean room»: For å kome inn, må vi gjennom ei sluse der vi tek på oss skoposar og kvite labfrakkar.

Ut av eit skåp tek Stapnes nokre små plater med halvleiardetektorar av silisium. Dei er delt inn i smale striper. Kvar stripe er tilkopla elektronikk med svært tynne leidningar, og derifrå skal ein lese ut det elektriske signalet. UiB har vore involvert i utvikling og utprøving av desse detektorkomponentane, i samarbeid med Universitetet i Oslo og Universitetet i Uppsala.

- For å levere komponentar til CERN, må norske universitet og bedrifter konkurrere med dei beste i verda. Det tvingar oss til å halde eit høgt nivå, seier Stapnes.

Må vite kva ein ser etter

Datamengda er så stor at ein må vite føreåt kva ein skal sjå etter. Berre om lag 100 av førti millionar kollisjonar har noko nytt å melde.

- I dei fleste tilfelle vil partiklane berre gå igjennom kvarandre. Det vi er interesserte i, er når to kvarkar kolliderer. Då blir det produsert nye partiklar i alle retningar, og slike hendingar skal vi ha med oss - kvar einaste ein.

- Derfor lyt vi ha algoritmar - formlar - som kan finne partiklar med høge energiar, og som går ut med store vinklar i høve til inngangsretninga på protonstrålen, forklarer Lillestøl.

- Alle partiklane som vart danna i det store smellet då jorda vart til, må ha blitt reduserte til dei partiklane vi har ikring oss i dag, inkludert mørk materie. Vi prøver å spole filmen attende, seier førsteamanuensis Anna Lipniacka.

- Vonleg vil vi få mange overraskingar, men det finst også ein del teoriar som gjev oss ein idé om kva vi skal vere på jakt etter. Nokre teoriar som prøver å sjå bakom Standardmodellen, seier til dømes at protonet kan brytast ned. Det har aldri vore observert.

- Dersom protonet kan brytast ned, veit vi ikkje kor lang levetid det har, berre at ho må vere veldig lang. Kanskje kan LHC hjelpe oss med å bestemme levetida til protonet. Det ville vere veldig spennande, men elles får vi vere glade for at protonet ikkje bryt saman utan vidare. For då ville vi jo ikkje vore her.