29.01.2010
Artikel

Svaret på universets gåde

En lille gruppe danske fysikere og medlemmer af DM er dybt involveret i at genskabe Big Bang i verdens største partikel­accelerator dybt under jorden i Schweiz. Projektet flytter grænserne for partikelfysikken og vores forståelse af universet og os selv.

Af Martin Ejlertsen

Rejsen er ukendt. Der er meget at opdage, og nu skal vi finde ud af hvordan. Sorte huller og rejser i tid fra en dimension til en anden. Det lyder helt uvirkeligt, men kan snart blive ny virkelighed.

Det er en råkold, grå decembereftermiddag. Sneen falder let ned på et stadig grønt landskab lidt uden for Geneve i Schweiz. Der er helt stille. Lige her er naturens love for alvor i spil. Ikke over, men under jorden. Klos op ad Alperne strækker verdens førende laboratorium i partikelfysik, CERN, sig fra Schweiz og ind i Frankrig. Her foretages partikelkollisioner dybt under jorden, som allerede nu sætter helt nye standarder inden for fysikken. Målet: at genskabe Big Bang og sætte helt nye standarder for partikelfysikken.

CERN er med sit ikke ringe sikkerhedsopbud som en stor afspærret landsby for de udvalgte – verdens førende fysikere. For at komme ind og rundt på det store område har man brug for et særligt adgangspas og en bil.

Vi kører forbi sikkerhedsvagten, krydser den nedlagte grænsekontrolpost på CERN ved grænsen til Frankrig, svinger igennem de mange gader i den idylliske landsby St. Genis Pouilly og kører igennem en lille lund af træer. Bag sikkerhedshegn og overvågningskameraer lige ved foden af de franske Alper ligger nogle store fabrikshaller og lagerbygninger. Vi er ankommet til ALICE og hovedsædet for et af de fire eksperimenter på CERN, som registrerer og analyserer partikelkollisioner i en partikelaccelerator dybt under jorden. 

1.000.000.000.000 elektronvolt
På eksperimentet ALICE er en lille håndfuld danske fysikere og medlemmer af DM med til at styre slagets gang. I hovedbygningen står en række tomme champagneflasker linet op tæt ved indgangs­porten. Det er eneste tilbageværende bevis på, at forskerne den 23. november sidste år fejrede, at man nu kunne sende simultane stråler med partikler rundt i hver sin retning i den 27 kilometer lange partikelaccelerator Large Hadron Collider (LHC) 100 meter under jorden. Det førte til 284 kollisioner og til den egentlige første måling.

Hver dag og nat flytter grænserne sig på CERN for, hvad man er i stand til, og det er nødvendigt for at få styr på den lille sidste del af en lang verdenshistorie, fortæller Jens Jørgen Gaardhøje, som er fysiker og professor på Niels Bohr Institutet (NBI) og gruppeleder på ALICE, mens han leder os fra bilen igennem fabrikshallen.

“Vi har egentlig ganske godt styr på 14 milliarders års tidsregning. Vi mangler blot den første 1 milliardtedel. Fysikken er egentlig ganske enkel, universel og meget simplere end vores hjerne. Vi mangler blot de sidste brikker i fysikkens standardmodel. Men vi ved også, at der er fysik ud over standardmodellen, og den er nok endnu mere spændende”, siger Jens Jørgen Gaardhøje.

Flere af forskerne har mørke rande under øjnene fra en ny lang nat mellem søndag og mandag. Der blev der med energien 2,4 teraelektronvolt – 1.000.000.000.000 elektronvolt – nemlig sat ny verdensrekord. På fire timer blev der målt omkring 42.000 partikelkollisioner.

Fire eksperimenter
På LHC findes fire eksperimenter med hvert deres fokusområde. ATLAS og CMS vil i særlig grad fokusere på kollisioner mellem protoner og går hovedsageligt efter at finde Higgs-partikler og supersymmetriske partikler. På ALICE går man efter kollisioner mellem tunge blykerner, mens LHC vil analysere på forholdet mellem stof og antistof.

På LHC’s bane sender forskerne protoner af sted i hver deres retning for at skabe et sammenstød. Ifølge Einsteins relativitetsteori (E= mc²) er energi det samme som masse ganget med lysets hastighed i anden. Har man energi nok, kan man derfor lave masse. Det betyder, at hver gang to protoner eller større atomkerner støder sammen, er der så meget energi til stede, at man kan producere en masse nye partikler i form af partikler og deres antipartikler, som strømmer ud i forskellige retninger.

“Vi ved i dag stadig intet om, hvorfor partiklerne har en given masse. I fysikken har man standardmodellen, som beskriver menageriet af partikler. Med den kan man beregne egenskaberne med uhørt god præcision. Men standardmodellen antager, at partiklerne har den masse, man har målt dem til. Det er her Higgs-partiklen kommer ind i billedet”, siger Jens Jørgen ­Gaardhøje.

Den er en påstået partikel, som kobler sig til alle andre partikler på en bestemt måde. Derved bestemmer vekselvirkningen mellem Higgs-partiklen og alle de andre partikler de enkelte partiklers masse. En Higgs-partikel er meget tung og lever i et ekstremt kort tidsrum. Derfor har man endnu aldrig set den.

Producerer man energi nok, kan man måske lave tilpas mange af de partikler og studere forekomsten af den, hvis man har den rigtige detektor, påpeger Jens Jørgen ­Gaardhøje og skitserer det overordnede tema for eksperimenterne med LHC på CERN:

“Det er at lave nogle nye partikler, som Higgs-partiklen, som vi ikke har set før. De partikler er meget vigtige, fordi de kan løse en bred klasse af problemer i fysikken, som vi i dag ikke forstår”. 

Chancen for revolution
ALICE-detektoren er 25 meter lang og 15 meter høj og vejer omkring 10.000 ton. Den er især bygget til at studere egenskaberne af stof, der består af fundamentale partikler, kvarker og gluokoner, det såkaldte kvark-gluon-plasma.

Under jorden skydes protonerne ud begge veje gennem LHC’ens 27 kilometer og mere end 1.500 styk dipolmagneter og kvadropolmagneter. Partiklerne tager turen 10.000 gange i sekundet. Magnetfelterne i rørene er afgørende for at holde partiklerne i cirkulære baner i LHC. Ved kollisionerne skal detektorerne kunne spore alle de mange nye producerede partikler og derved fortælle fysikerne noget om, hvordan den oprindelige “partikelsuppe” så ud for knap 14 milliarder år siden.

Klokken lidt i et denne nat sættes forsøgene efter korrektion i systemerne dagen igennem i gang igen. Energien på strålerne i LHC er med 0,9 teraelektronvolt lavere end tidligere, men der sendes nu 16 x 16 bundter af partikler af sted. Det er mere end nogensinde før. Der er fyldt med forskere ved alle computerstationerne og i kontrolrummet på ALICE. På en stor skærm i kontrolrummet vises en computeranimering af detektoren, og snart ser man levende animationer af partikelspor, der spreder sig ud fra kollisionspunkter og igennem den store ALICE. Tælleren viser omkring 50 kollisioner i sekundet. Det er mere end nogensinde før, og dermed endnu en rekord på CERN. Det er dog stadig milevidt fra de 40 millioner sammenstød i sekundet, som er forventningen, når LHC kører på fuld styrke i 2011.

“Hvor mange partikelspor vi ser og hvilke, afhænger af fysikken i kollisionerne. Chancen for at finde noget revolutionerende er der nu, men den er langt mindre, end når energien og antallet af kollisioner øges”, siger Børge Svane Nielsen, som også er fysiker på NBI, og som blandt andet har stået bag lasersystemet til Time Projection Chamber-detektoren (TPC). Den er med sine fem meter i diameter den største af sin art i verden og skal med omkring 20 andre detektorer på ALICE lave et slags partikel-ID-kort af kollisionerne. 

Jorden forsvinder ikke
Selv om resultaterne vælter ind, er LHC stadig i opstartsfasen. Derfor sidder der fysikere rundt omkring i kontrolrummet ved alle computere og overvåger hver eneste mindre detektor på ALICE for at rette eventuelle fejl. På dette tidspunkt er det ph.d.-studerende Hans Hjersing Dals­gaard, som under kollisionerne også holder øje med, at temperaturen på TPC’en ikke bliver for høj via et elektronisk panel.

“Bliver den for varm, skal vi med det samme slukke for systemet. Den aktive del af detektoren sidder så langt inde i ALICE, at går der noget galt, vil det kræve en etårsoperation, før vi kan starte igen”, siger han. Blot en time senere, klokken to, er der shut down. Forsøget må stoppes på grund af et trykproblem ved point 7 på LHC. Netop tryk, men også nedkøling af systemet, er de mest regelmæssige nedbrudsgrunde på LHC. Derfor kører forsøgene endnu ikke i døgndrift.

“Lige nu gælder det om at finde de eventuelle data og rette årsagerne til de fejl, som stadig opstår. Vi skal ikke finde Higgs-partiklen her og nu, men optimere systemet. Det andet kommer senere”, siger Børge Svane Nielsen.

Når LHC kører på fuld styrke, bliver det med knap 15 teraelektronvolt. Det er faktor ti over, hvad der er muligt i dag. Det er nødvendigt for at kunne producere partikler, som ikke er set før. Men de store hastigheder på LHC har også startet spekulationer som, at kollisionerne vil skabe sorte huller, og at der vil opstå en vakuumbombe, som vil få jorden til at forsvinde. Det afviser Jens Jørgen Gaardhøje.

“Universet er her endnu, og i rummet sker der kollisioner med meget højere energi, end LHC kan skabe. Derfor er det ret håndfast, at dette ikke vil ske. Det er legitimt at stille sådanne spørgsmål, når vi kaster os ud i noget nyt som på CERN. Men i hver kollision på partikelniveau er der ikke mere energi, end når en myg rammer dig på kinden. Den enkelte kollision har derfor meget lidt energi og vil ikke være risikabel”.