Vitenskap

Kunsten å knuse partikler

Verdens største partikkelknuser ligger hundre meter under bakken utenfor Genéve i Sveits. Den er 27 kilometer lang, og altfor liten.

Jo mindre detaljer i naturen man ønsker å se, jo større og kraftigere maskiner trenger man. Det er mye vi enda ikke vet om naturen på skalaer langt mindre enn atomet – det er dette partikkelfysikerne prøver å finne ut av. Partikkelfysikk er et spennende fagfelt som både studerer de minste av naturens byggesteiner, og forsøker å forstå universet på den aller største skalaen som for eksempel hva det er som holder galaksene sammen.

Verdens største vitenskaplige eksperiment er en «partikkelknuseren» i Genéve kalt The Large Hadron Collider (LHC) og tilhører Den europeiske organisasjon for kjernefysisk forskning (CERN).

Det var her man endelig fant Higgs-partikkelen i 2012 – partikkelen som gjør at andre partikler, som elektroner og kvarker, har masse. Higgs var den siste brikken som mangler i partikkelfysikkens standardmodell – en modell som hjelper oss å forstå verden på skalaer mindre enn et atom.

Det finnes mye mer

Universets sammensetning i dag. Kilde: WikiMedia

Universets sammensetning i dag. Kilde: WikiMedia

Standardmodellen er likevel bare en ufullstendig modell. Det er fortsatt mye den ikke kan forklare, som for eksempel hvor gravitasjon, mørk materie og mørk energi kommer fra. Standardmodellen beskriver i beste fall rundt fire prosent av det universet vårt består av. Det er med andre ord mye mer å finne ut av, og mange spennende oppdagelser som enda ligger foran oss.

Mørk materie er på en måte stillaset som holder galaksene sammen, inkludert vår egen. Vi vet at den er der, fordi vi kan måle tyngdekraften fra den, men vi kan ikke se den. Det i seg selv er ikke så fryktelig mystisk. Det er ikke første gangen vi vet at noe er der lenge før vi finner det. Mange av partiklene i standardmodellen er oppdaget slik, men mørk materie er litt mer komplisert all den tid den ligger utenfor denne etablerte modellene.

Selv om det er Higgs-partikkelen som har fått mest fokus, er det altså mye mer å leter etter i eksperimentene på CERN. Det er imidlertid en realitet at vi ikke vil finne ut av alt vi leter etter med den eksisterende maskinen og de eksperimentene som er tilknyttet denne.

Det handler om energi per meter

Når man beskriver en 27 kilometer stor maskin som «for liten», så snakker man ikke nødvendigvis bare om fysisk størrelse, men også om effektivitet og energi. Energi i denne sammenhengen betyr hvor nær opp mot lysets hastighet man kan komme.

Lysets hastighet er en absolutt fartsgrense slik som vi i dag forstår fysikken. I vår hverdag hvor alt beveger seg sakte, er ikke denne grensen av betydning. Den er på nesten 300 000 kilometer i sekundet. Grensen fungerer slik at jo nærmere man kommer denne hastigheten, jo mer kraft må til for å øke hastigheten litt til, men man kommer aldri helt opp i lysets hastighet.

For at en partikkel med masse større enn null skal nå lysets hastighet, må man tilføre uendelig med energi. Det er ikke et mål i seg selv, men høyere energi gir oss muligheten til å studere universet på en mindre og mer detaljert skala.

Med dagens teknologi er det en begrensing på hvor mye man kan dytte en partikkel opp i fart for hver gang man dytter på den. Man trenger også plass til å justere retningen og spredningen på partiklene med superledende magneter slik at vi ikke mister dem. Alt dette gir en begrensing på hvor mye energi vi kan tilføre en partikkel per meter maskin.

Tekniske utfordringer

LHC er bygget slik at partiklene går rundt i ring. Dermed kan man passere de samme delene av maskinen flere ganger. Disse 27 kilometerne tilbakelegges svært fort – nærmere bestemt cirka 11 000 ganger i sekundet. Men dette har sine utfordringer.

Partikler, som så mye annet, stritter imot når man svinger dem rundt ringen. De vil helst gå rett frem på samme måten som en bil i høy fart risikerer å kjøre av veien om farten er for høy og bakkekontakten glipper. Partikler forsøker å bremse farten ved å avgi stråling, og lette partikler gjør dette i mye større grad enn tunge partikler.

For å kunne gjøre mer nøyaktige forsøk ønsker man å gjøre slike eksperimenter med elektroner fremfor protoner, som er det man bruker på LHC i dag. Elektroner produserer et renere resultat i kollisjoner – litt som forskjellen på å kollidere biljardkuler istedenfor biler da protoner er laget av flere partikler, mens elektronet ikke er det.

Elektronet er imidlertid over 1800 ganger lettere enn protoner, og skal man få disse opp i høy energi må man bygge akseleratorer i rett linje. Man er allerede i gang med å planlegge slike, blant annet The International Linear Collider (ILC) og Compact Linear Collider (CLIC). Man har også bygget mindre slike tidligere, som blant annet ved Stanford Linear Accellerator Center (SLAC) i California, USA.

Nye metoder

Det forskers også på nye metoder for hvordan man kan øke hvor mye man kan dytte på partiklene av gangen. I dag ligger begrensningene i hvor mye energi man kan tilføre i vakuum før maskinen rett og slett kortslutter. En litt overraskende løsning er å fylle røret med ionisert gass, det vil si en gass som er oppvarmet til elektronene skiller lag med resten av atomet, og gassen blir strømførende. En tilsvarende prosess som det som skjer med luften rundt lynet under et tordenvær.

Ved å sende tyngre partikler gjennom denne plasmaen, som for eksempel protoner, kan man overføre en andel av denne energien til en gruppe andre partikler, elektroner, som følger like etter. Man kan deretter kaste den første bunten med partikler og sende inn nye for å gjenta prosessen. Effekten minner litt om en surfer som surfer på en bølge bak et stort skip. Denne metoden er potensielt flere hundre ganger mer effektiv enn den metoden man benytter i dag.

Det er gjort forsøk med denne teknikken før, som for eksempel på SLAC ved Stanford, men nå bygges det et større eksperiment under bakken på CERN. Eksperimentet heter Advanced Wakefield Experiment (AWAKE), og har planlagt oppstart høsten 2016. Universitetet i Oslo er en del av dette eksperimentet.

God norsk tradisjon

Dette er i hovedsak maskiner som egner seg for målrettet grunnforskning, men de er også med og driver frem teknologi med nytte utenfor forskningsfeltet. Blant annet er små partikkelakseleratorer brukt i kreftbehandling mange steder.

Norge har vært involvert i forskning og utvikling av partikkelakseleratorer siden starten av dette fagfeltet, og var et av de opprinnelige tolv landene som etablerte CERN i 1954. Nordmannen Rolf Widerøe er et av de sentrale navnene i utviklingen av akseleratorteknologi tilbake på 40-tallet, og vi deltar fortsatt aktivt i denne typen grunnforskning.

Previous post

Kjappiser: Vaksinemotstandere som tar til vett, Aron Ra, verdens største... , på do – in space og DNB donorkort-visa

Next post

Kjappiser: forskere med leker, nevro-babling og detox

Veronica

Veronica

Veronica is a PhD candidate in high energy physics at the University of Oslo, Norway. She loves science, and is a total science-fiction nerd. She's a queer feminist, a secular humanist, and of course a skeptic. She spends most of her free time working for one of the major LGBTQ+ organisations in Norway. She is the editor of the Norwegian Skepchick blog, but also writes for some of the other blogs in the network. She can be found on Twitter as @VeronicaInPink.

No Comment

Leave a reply