- Naturens mest fundamentale byggesteiner kalles element?rpartikler. Forskjeller mellom ulike stoffer er, som Demokrit sa, bestemt av hvordan disse element?rpartiklene er satt sammen. Demokrit var nok p? mange m?ter historiens f?rste element?rpartikkelfysiker, sier Lars Bugge, professor ved Gruppen for eksperimentell partikkelfysikk ved Fysisk institutt, Universitetet i Oslo.
- Selv om vi i dag vet at atomer kan deles i mindre biter, brukes fremdeles betegnelsen "atomer" om grunnstoffenes minste deler. Atomkjernene er bygd opp av protoner og n?ytroner, og disse kjernepartiklene er igjen bygd opp av enda mindre partikler kalt kvarker. Sammen med leptoner, som er en fellesbetegnelse p? elek-troner, tyngre partikler som likner p? elektroner og lette n?ytrale partikler som kalles n?ytrinoer, er kvarker kanskje de minste partiklene i naturen, sier han.
Ved Det europeiske partikkelfysikk-senteret CERN (fra den tidligere betegnelsen Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) i Genève har norske forskere sammen med et stort antall utenlandske kolleger sannsynliggjort at det bare finnes tre sett av sammenh?rende par med leptoner og kvarker i naturen. Resultatene vil, if?lge Bugge, inng? i alle kommende l?reb?ker i moderne fysikk. Forskerne vet likevel enn? ikke om det finnes "subkvarker" eller andre mindre strukturer.
- Dagens partikkelfysikk har sitt dypeste eksperimentelle niv? p? om lag én milliartedels milliartedels meter (10^-18m). Kvarkene og leptonene er mindre enn dette. Det kan derfor ikke utelukkes at ogs? kvarker og leptoner er bygd opp av mindre bestanddeler, forklarer han.
Atomet best?r av en kjerne, og rundt den kretser elektroner. Kjernen inneholder protoner og n?ytroner, og disse er igjen bygd opp av kvarker. Kvarkene og leptonene er kanskje de minste partiklene i naturen, men det kan ikke utelukkes at de er bygd opp av mindre bestanddeler. (Figur: Kunnskapsforlaget ?)
Ballspill
Mens krefter for mennesker og dyr vil v?re bestemt av at vi kommer borti og skyver p? ting, er det annerledes i partiklenes verden. Kjernepartikler p?virker hverandre n?r de kommer tilstrekkelig n?r hverandre fordi bestanddelene (kvarkene) begynner ? vekselvirke. Kjernekrefter er derfor ikke annet enn krefter mellom kvarker som "f?ler" hverandre.
- Sitter det to personer i hver sin b?t og kaster en ball mellom seg, vil b?tene gli fra hverandre p? grunn av kraften som oppst?r mellom dem. Ballen er "b?rer" av denne kraften. Tilsvarende vekselvirker kvarker og leptoner ved ? sende feltpartikler til hverandre. En slik feltpartikkel kalles Z^0 og den er n?ye studert ved CERN. Z^0-partiklene omdannes til andre partikkelpar, og deres levetid er sv?rt, sv?rt kort.
- Levetiden, som vi kan m?le, angir feltpartikkelens muligheter til ? omvandles til nye partikler. Slik har vi blant annet kunnet fastsl? antallet kvarker og leptoner, sier professoren, og fortsetter:
- Men det kan ogs? tenkes at Z^0-partikkelen omvandles p? m?ter som vi i dag ikke kjenner til eller at de g?r over til nye og ukjente partikler. Jo mer presist vi kan m?le, jo st?rre er ogs? f?lsomheten for ny fysikk, det vil si vekselvirkninger og partikler vi i dag ikke kjenner til, sier partikkelforskeren.
澳门葡京手机版app下载en kan ogs? vise seg ? spille en viktig rolle i forst?elsen av det tidlige univers.
- I begynnelsen var universet sannsynligvis en slags gass eller plasma av element?rpartikler. Vi ser n? at det minste m?ter det st?rste. Et nytt fagfelt, astropartikkelfysikk, trekker veksler b?de p? element?rpartikkelfysikk og p? kosmisk fysikk. Astrofysiske data viser at vel 90 prosent av materien i universet ikke er observert direkte. Mange forskere mener denne m?rke materien kan best? av hittil ukjente partikler, sier Bugge.
Greske tradisjoner
Demokrit var en foregangsmann, og tankene til de gamle grekere fungerer fremdeles som rettesnor for v?r tids forskere innen partikkelfysikk. Mens dagens kunnskap tilsier at det sannsynligvis finnes 25 "grunnleggende" bestanddeler som kvarker, leptoner og "ballpartikler" som formidler krefter, hadde Aristoteles fire grunnelementer: jord, luft, ild og vann.
I jakten p? naturens innerste bestanddeler fors?ker ogs? forskerne ? forklare det komplekse med det enkle.
- For ? forst? stoffenes indre strukturer og for ? kunne utvikle generelle naturlover, s?ker vi ogs? modeller med f?rrest mulig fundamentale partikler og med f? typer av krefter som virker mellom disse partiklene, forklarer professoren.
Dagens modell for element?rpartikler og kreftene mellom disse har vist seg ? v?re meget god og i overensstemmelse med alle kjente m?leresultater. Modellen utgj?r i dag forskernes viktigste rammeverk. Likevel viser denne Standardmodellen klare svakheter og m? videreutvikles. Modellen sier ikke hvor mange element?rpartikler som finnes og kan ikke p? en enkel m?te forklare hvorfor elektronets ladning er akkurat det motsatte av protonets. Tyngdekraften inng?r heller ikke i modellen.
Mange av st?rrelsene som inng?r i modellen, m? bestemmes eksperimentelt. Norske partikkelforskere har med sine n?yaktige m?linger levert sv?rt viktige bidrag i dette arbeidet.
- Under m?lingene ved Large Electron Positron collider, vanligvis forkortet til LEP, ved CERN, har vi i tillegg til ? bestemme antallet element?rpartikler ogs? kunnet forutsi massen til den tyngste av kvarkene, sier Bugge.
- Etter at vi ved indirekte m?linger ved LEP hadde bestemt kvarkens masse til ? v?re omkring 190 ganger s? stor som protonets masse, kunne amerikanerne, som har sv?rt kraftige akseleratorer, p?vise denne eksperimentelt i 1995, sier han.
I LEP ved CERN akselereres elektroner og positroner i hver sin retning i en 27 km lang ringformet tunnel, om lag 100 m under bakkeniv? (bildet under). Farten ligger tett oppunder lyshastigheten, over 11 000 runder rundt LEP i sekundet! Ved hjelp av detektorer (se figur) fors?ker forskerne ? registrere hva som foreg?r under kollisjonene. Partiklene smeller sammen i kraftige frontalkollisjoner og omvandles til nye partikkelpar med nye masser og ny energi. (Foto: CERN)
?
Frontalkollisjoner
I LEP ved CERN akselereres elektroner og positroner (positivt ladde elektroner) i hver sin retning i en 27 km lang ringformet tunnel, om lag 100 m under bakkeniv?. Hastigheten ligger tett oppunder lyshastigheten, noe som betyr over 11 000 runder rundt LEP i sekundet! Partiklene smeller sammen i kraftige frontalkollisjoner og omvandles til nye partikkelpar med nye masser og ny energi. Alexander Read, som er professorkollega av Bugge og sterkt medvirkende til de norske resultatene etter et m?ysommelig analysearbeid av dataene fra detektorene i CERN, forklarer hvordan arbeidet foreg?r:
- Kollisjonene skjer i fire veldefinerte kollisjonspunkter hvor avanserte detektorer er stilt opp. Ved hjelp av disse fors?ker forskerne ? rekonstruere hva som foreg?r under kollisjonene: Hvor mange og hva slags partikler har g?tt gjennom detektoren, og hvilke retninger og hvilken energi hadde disse? Etter studier av et stort antall hendelser fors?ker vi ? finne hvilke strukturer som forekommer og hvilke lover som regjerer i element?rpartiklenes verden, sier Read.
Energien til partiklene som sirkulerer i LEP, m?les med sv?rt h?y presisjon. Selv tidevannskrefter, som forandrer LEPs omkrets med cirka 1 millimeter, kraftig regnv?r eller hurtigtoget TGVs avganger fra Genève, gir m?lbare effekter. 澳门葡京手机版app下载sgrupper fra ulike land har ansvaret for hver sine detektordeler og for behandling og analyser av dataene. Den norske SAT-detektoren er i dag demontert og st?r utstilt p? Norsk Teknisk Museum i Oslo.
- Sammenlikner vi resultatene fra alle fire detektorer som samler data ved LEP, viser det seg at den norske forskningsgruppen, best?ende av element?rpartikkelfysikere fra Universitetet i Oslo og Universitetet i Bergen, helt klart kom best ut av den spesielle m?lingen de stod for i perioden fra 1989 til -93, sier Read stolt. Bugge f?lger opp og sl?r fast at det hele har v?rt et stort lagarbeid. Han framhever spesielt sine kolleger Arne Klovning i Bergen og Torleiv Buran i Oslo for deres sentrale roller i planlegging og bygging av apparaturen som ble brukt.
Industrielle anvendelser
Partikkelforskerne fra Fysisk institutt er glade for at det finnes mange eksempler p? nyttige anvendelser som er drevet fram av grunnforskning innen kjerne- og partikkelfysikken.
- Utviklingen av akseleratorer har ogs? gitt viktige medisinske anvendelser. Kreftterapi kan i dag skje ved hjelp av protonstr?ling hvor n?rmest hele energiavsetningen skjer over et lite omr?de der protonene stopper. Virkningen av str?lene kan begrenses til en svulst, uten ? skade friskt vev i s?rlig grad, selv om den ligger dypt inne i kroppen.
Bestr?ling med partikler har ogs? viktige industrielle og andre anvendelser. Et eksempel er systemer for oppsporing av narkotika og eksplosiver, der gammastr?ler fra det bestr?lte materialet angir hvilken type stoff det er, sier Bugge.
- Noen av v?re produkter er et direkte resultat av den norske forskningsaktiviteten ved CERN og den spisskompetansen vi ervervet da vi utviklet den norske m?ledetektoren, sier produksjonssjef Bj?rnar G. T?nnesen ved firmaet AME i Horten. Firmaet, som har 57 ansatte, produserer lysf?lsomme detektorer og mikroelektronikk til medisinsk, industriell og milit?r bruk. Et annet norsk firma, IDE A/S, sender i disse dager produktet Bioscope ut p? det internasjonale marked. Produktet har anvendelser innen medisinsk billedproduksjon og er ogs? basert p? kompetanse fra det norske detektorarbeidet.
- Enda en kvark ...?
Forskerne vil fortsette sitt arbeid, p? jakt etter partikler og nye typer vekselvirkninger som ikke inng?r i dagens standardmodell. Til dette kreves st?rre akseleratorer med st?rre energi, tilpasset partiklene og fenomenene forskerne ?nsker ? studere. Slikt koster penger.
- Planene er store, og prosjektene m? planlegges mange ?r i forveien og baseres p? internasjonalt 澳门葡京手机版app下载. Fram mot ?rtusenskiftet vil det ved LEP kj?res ved stadig h?yere energi. Samtidig planlegges byggingen av en ny akselerator ved CERN, sier professor Bugge.
Men planene m?ter ogs? motstand. En amerikansk senator spurte sarkastisk "We've got enough quarks already. What do we need another one for?", etter oppdagelsen av den tyngste kvarken i 1995.
- Denne typen sp?rsm?l er ikke s? uvanlig blant politikere og menigmann, ler Bugge.
- De forst?r ikke alltid at grunnforskning utgj?r basisen for all v?r kunnskap og for all anvendt forskning. "Praktiske" bruk kjenner man sjelden til mens forskningsprosjektene foreg?r, sier han.
- Framtidige anvendelser f?r s? v?re. Vi g?r dypere inn i materien og konsentrerer oss n? om ? forst? opprinnelsen til element?rpartiklenes masser.
FAKTA
En av hovedaktivitetene innen norsk element?rpartikkelfysikk foreg?r innen DELPHI-eksperimentet (Detector for Lepton, Photon and Hadron Identification) ved LEP-akseleratoren (Large Electron Positron collider) ved CERN (fra den tidligere betegnelsen Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) i Genève.
Det deltar over 500 fysikere fra de fleste vesteuropeiske land, ?st-Europa, Russland og USA, fra mer enn 50 universiteter og forskningsinstitutter. Fra norsk side deltar gruppen for eksperimentell partikkelfysikk ved Universitetet i Bergen og gruppene for eksperimentell partikkelfysikk og elektronikk og m?leteknikk ved Universitetet i Oslo.
I 1996 bidro Norge med NOK 84 millioner direkte over statsbudsjettet til kontingenten for CERN-medlemskap. Norges forskningsr?d bidro med til sammen NOK 11,7 millioner i 1996 til nasjonal kjernefysikk, teoretisk kjerne- og partikkelfysikk og CERN-aktiviteter.
En "virtuell" vandring i element?rpartiklenes verden er mulig via Gruppen for eksperimentell partikkelfysikk sin popul?rvitenskapelige web-side:
http://www.fys.uio.no/epf/poppedpartphys.html , hvor det ogs? finnes mye annen informasjon om p?g?ende norsk og internasjonal forskning. For en beskrivelse av anlegg og aktiviteter ved CERN, se: www.cern.ch .