Som å kollidere to nåler på ti kilometers avstand

Mange husker vel at LHC-tunnelen i 2008 skulle åpne sorte hull og spise verden. CERN er betydelig mindre farlig, men langt mer spennende.

Eventyret startet i 1951 under en UNESCO-konferanse sammenkalt for utvikling av samarbeid mellom europeiske land. Forslaget ble originalt lagt frem av den franske fysikeren Louis de Broglie i 1949.

Fikk du med deg? Nye utviklinger i saken om savnede Odin (18).

Sivilingeniør Jens Vigen er bibliotekar ved CERNs egne bibliotek, og forklarer at intensjonen bak CERN var å styrke et samlet Europa etter krigen og skape et bedre forskningsmiljø for fysikere:

– Håpet var å hindre migrasjonen av talent til USA og militære institusjoner, det såkalte «brain drain».

I dag står CERN for et internasjonalt samarbeid på tvers av kontinentale grenser, med en base på grensen mellom Sveits og Frankrike. Sammen oppdager de noe av den mest grensesprengende fysikken dagens teknologi kan mestre.

Standardmodellens sorte hull

Det overordnede målet ved CERN er å finne ny fysikk som beskriver oppbygningen og funksjonen av vårt univers. Postdoktor Anders Kvellestad fra UiO forklarer at den rådende teorien er standardmodellen, som beskriver hvordan tre av fire fundamentale krefter og alle kjente elementærpartikler oppfører seg.

– For all data vi hittil har samlet passer standardmodellen svært godt, men vi vet også at det er spørsmål vi ikke får svar på av denne ene ligningen. Noe mangler.

Som eksempel forteller han at store deler av materien i universet ikke interagerer med lys, men likevel påvirker annen materie gjennom tyngdekraften. Denne materien er døpt «mørk materie» og er et av de største mysteriene i moderne partikkelfysikk.

NTNUI Orientering er uenige om å utestenge utenlandske utøvere fra premier i NM.

Kvellestad forteller at ingen av dagens kjente elementærpartikler passer kriteriene stilt til mørk materie, og at hva det egentlig er forblir ukjent. Det finnes utbredte teorier, som supersymmetri, som forskes på av blant annet Kvellestad selv.

Et annet mysterium er antimaterie, ikke fordi vi ikke vet hva det er, men fordi det burde være mye mer av det enn vi observerer. Ved universets dannelse burde det ha blitt skapt like mye antimaterie som materie, men av ukjente grunner består universet likevel nesten kun av materie.

Dette tilsier at det enten er uforutsette forskjeller mellom materie og antimaterie, eller at hittil uoppdagede mekanismer har tippet balansen i én retning over den andre.

– Standardmodellen kan tillate et lite overskudd av materie over antimaterie, men ikke så mye som vi observerer i dagens univers, sier Kvellestad.

Med ny fysikk menes svar på spørsmål som disse, ofte da i formen av tillegg på standardmodellens eksisterende ligning.

Protonkræsj i høye hastigheter

Ny fysikk blir funnet ved å akselerere partikler opp i svært høye hastigheter, kollidere dem sammen og observere effekten de har på hverandre og dannelsen av nye partikler. Kvellestad anbefaler å tenke på en partikkel som et felt heller enn en rund kule for å lettere forstå konseptet.

Ulike felt kan enten overføre energi til hverandre eller ikke, og slik overførsel kalles vekselvirking. Ofte observeres kortlevde partikler gjennom deres påvirkning på andre felter, heller enn direkte observasjon av partikkelen selv.

– Det å kollidere partikler med LHC kan ansees som ekvivalenten av å ta tak i alle feltene vi har, altså alle partiklene våre, og riste dem så hardt vi kan. Så observerer vi det som skjer, forteller Kvellestad.

LHC-tunnelen er verdens største sirkulære partikkelakselerator med sin 27 kilometer lange omkrets. Her akselereres en protonstråle i hver retning opp til 99,9999991 prosent av lysets hastighet og kollideres ved de fire største detektorene. CERNs nettsider avslører at presisjonen som kreves for å kollidere så små partikler er lik den som kreves for å kollidere to nåler mot hverandre på ti kilometers avstand.

Det er totalt syv detektorer langs LHC-tunnelen, men kun fire av dem observerer kollisjonspunktene: ALICE, CMS, ATLAS og LHCb. Stipendiat Eli Bæverfjord Rye fra UiO jobber mye med data fra ATLAS-prosjektet, og forklarer at detektorene er enorme og pakket med ulike lag som alle detekterer forskjellige partikler, litt som en løk.

– Hvert lag registrerer partikler som alle oppfører seg forskjellig, og derfor registreres med ulike instrumenter.

Bæverfjord Rye forteller også at ATLAS og CMS er de to mest generelle detektorene, som leter etter alt fra Higgs boson-interaksjoner til ekstra dimensjoner og mørk materie. Strålene kolliderer midt i instrumentet og nødvendig data samles inn av instrumentene rundt. Selv om begge detektorene har samme mål, så er de designet på ulike måter og kan derfor bekrefte hverandres vitenskapelige funn. Med like vitenskapelige mål utvikles det lett litt vennskapelig konkurranse mellom eksperimentenes forskere.

– Vi er jo ikke fiender, men rivaler kanskje. Det er litt sånn førstemann til mølla opplegg, sier Bæverfjord Rye.

ALICE søker etter kvark-gluonplasma, som høres forferdelig komplisert ut, og det er det for så vidt også. Protoner, som utgjør kjernen av alle atomer sammen med nøytroner, består av kvarker holdt sammen av gluoner og fundamentale krefter. Kvarkene og gluonene, som begge er elementære partikler, er uadskillelige under andre forhold enn de som eksisterte rett etter universets opprinnelse. For å simulere slike forhold vil LHC for en viss periode kollidere blykjerner, heller enn protoner.

Det finnes også andre eksperimentelle fasiliteter, som antimateriefabrikken, der de eksperimenterer med og på anti­materie, og CLEAR, der de utvikler strålefokuserende apparater og akseleratorer.

Oppgraderer for å løse ubesvarte spørsmål

MOROFAKTA:

Veven (the World Wide Web) ble oppfunnet i 1989 av Tim Berners-Lee mens han jobbet ved CERN. Intensjonen var å gjøre automatisk informasjonsdeling mellom forskere og universiteter lettere, og resultatet var starten på en helt ny form for kommunikasjon. Veven er det informasjonsnettverket som gjør flere typer media tilgjengelige over internettet.
Kilde: home.cern

CERN har en egen instagramkonto dedikert til enslige stoler, og et hvilehjem for slitne datamus.
For de som har sett Engler og Demoner kom øyeskanneren etter filmen, og ikke omvendt.
Kilde: Are Raklev, UiO.

Nobelprisvinnende Leon Lederman publiserte på 1990-tallet en bok han selv døpte the Goddamn Particle i referanse til det elusive Higgs-bosonet. Det amerikanske forlaget som publiserte boka ønsket å unngå kontroversen rundt banneord i en tittel og sensurerte den. Slik ble the God Particle født, et navn Higgs-bosonet er kjent under selv etter oppdagelsen i 2012.
Kilde: Jens Vigen, CERN.

Nå er LHC-tunnelen lukket for oppgraderinger til det som kalles High-Luminocity LHC. Det vil si at mengden kollisjoner per tidsenhet økes og da trengs det bedre maskineri langs tunnelen. Poenget er å produsere mer data slik at det kan skilles mellom statistiske usikkerheter og små signaler og variasjoner fra standardmodellen. Slik det er i dag er det tidvis vanskelig å skille mellom disse to. Målet er at HL-LHC skal være i drift i 2026.

– Det kan være det skjuler seg ny fysikk i de dataene vi allerede har samlet, men at datasettet foreløpig ikke er stort nok til at vi klarer å skille mellom ny fysikk og statistiske flukt­uasjoner, mener Bæverfjord Rye.

I framtiden er selvsagt målet å bygge en partikkelakselerator med enda høyere energi. Professor Erik Adli fra UiO forteller at for å unngå en langstrekt pause etter det neste eksperimentet, legges det også en mer langtidsrettet plan. Da er det to hovedkandidater.

Spørreundersøkelse for UKEfunker lar ikke de frivillige uttrykke seg negativt mot Equinor.

På den ene siden står FCC, som er svært lik LHC, bare at den er 100 kilometer i omkrets heller enn 27, og med mulighet for å kollidere flere ulike typer partikler. Denne krever et massivt budsjett fordi det å bygge en så stor tunnel under en eksisterende by ikke er billig. Adli mener at det flotte med denne akseleratoren er at det tillater videre forskning på blant annet proton-proton kollisjoner ved høyere energier enn det som kan oppnås ved LHC. Den har også behov for få akseleratorenheter fordi den sirkulære strukturen tillater gjenbruk av samme enhet per runde.

På den andre siden står CLiC, en lineær partikkelakselerator med et langt lavere budsjett. Adli forteller at denne ikke har mulighet for proton-protointeraksjoner, men heller elektron-positron-interaksjoner. Denne krever også flere akseleratorenheter enn FCC fordi partiklene må akselereres til riktig hastighet gjennom en lineær struktur.

– Hadde det kun vært et spørsmål om behov hadde vi såklart valgt å bygge FCC, men dessverre må vi også ta hensyn til økonomi, sier Adli.

Som Einstein forklarte i sin tid er masse og energi på mange måter to sider av samme mynt. For å skape tyngre partikler må vi ha større mengder energi når vi slår dem sammen. Dette er en høyst nødvendig oppgradering, som må til slik at framtidens fysikere kan løse standarmodellens mysterier.