Hva skjedde i det f?rste milliontedels sekundet etter Big Bang for 13,7 milliarder ?r siden, da universet v?rt ble dannet med et brak? Hva er universet v?rt satt sammen av? Hva er det som holder galaksen v?r samlet? Hva best?r atomene v?re av? Hva er de minste byggeklossene i universet og i oss mennesker?
For ? finne svaret p? disse svimlende og eksistensielle sp?rsm?lene, jakter flere tusen fysikere fra hele verden p? de aller minste partiklene i verdens st?rste og dyreste eksperiment i CERN i Genève.
I denne reportasjen vil du f? et eventyrlig innblikk i en verden som de fleste av oss aldri kommer p? innsiden av. Du f?r vite mer om Guds partikkel og at forskerne jakter p? noe enda st?rre. Du vil f? siste nytt om jakten p? m?rk materie, og da snakker vi ikke om den m?rke delen av hjernen n?r vi ikke skj?nner noen ting, men om den m?rke materien som binder universet sammen og som hvert eneste sekund raser gjennom kroppen din uten at du merker noe som helst. Du f?r ogs? lese om hvorfor det koster mangfoldige milliarder kroner ? avdekke mysteriet. Som fristende ?te kan Apollon nevne en 27 kilometer lang tunnel spekket med det mest moderne utstyr du kan tenke deg. Her kolliderer partikler med hverandre i svimlende hastigheter for ? gjenskape fragmenter av den rare ursuppen som ble dannet mens universet fortsatt bare var noen milliontedels sekunder gammel.
La oss g? i gang, kj?re leser, og la deg ikke vippe av pinnen om noen av begrepene kan fortone seg som volapük. De blir alle sirlig forklart, og jeg lover deg at vi skal lande denne reportasjen med en optimistisk historie og store planer om hva fremtidens fysikere i 2090 skal forske p? for ? komme til bunns i noen av de st?rste vitenskapelige problemene som har eksistert i menneskehetens historie. Dessuten kan du f? boltre deg i underjordiske bilder fra et eksperiment som ingen vanlige d?delige kommer i n?rheten av. La oss komme i gang! Vi har ingen tid ? miste!
Gjennomskuer ?m?rkheten?
En av vitenskapens st?rste ul?ste g?ter er ? finne forklaringen p? den m?rke materien i verdensrommet. Solsystemet v?rt er en del av galaksen som kalles Melkeveien. Alle stjernene i Melkeveien, det er minst hundre milliarder av dem, dras mot det indre. Her fins et enormt tyngdefelt, som ikke kan forklares med annet enn m?rk materie.
– Vi vet at det fins fem ganger mer m?rk materie enn vanlig materie, men vi vet fortsatt ikke hva den best?r av. Det eneste vi vet er at den m?rke materien m? v?re massiv, at den har andre egenskaper enn den materien vi ser rundt oss, og at den nesten ikke reagerer med annen materie, forklarer postdoktor Anders Kvellestad p? Fysisk institutt ved Universitetet i Oslo.
De minste byggeklossene
N?r partikkelfysikerne snakker om materie, tenker de p? noe som er langt mindre enn atomer. Ethvert atom best?r av en atomkjerne med elektroner svirrende rundt seg. Atomkjernene best?r av ladde partikler som kalles protoner og n?ytrale partikler som kalles n?ytroner. Som om dette ikke er nok, er protonene og n?ytronene satt sammen av kvarker og andre element?rpartikler som binder disse kvarkene sammen.
Partikkelfysikerne har gjennom m?ysommelig leting kartlagt 17 av partiklene. Blant de rare navnene er myoner og gluoner, for ikke ? snakke om W og Z. Fysikerne har ogs? teoretisk beskrevet en rekke andre element?rpartikler som de mener m? eksistere, men som de enn? ikke har funnet eksperimentelt.
Frem til i dag har forskerne bare funnet en eneste element?rpartikkel som oppfyller alle krav til m?rk materie. Den kalles n?ytrino. Men det er et stort aber. Den har altfor liten masse. N?ytrinoer m? forresten ikke m? forveksles med n?ytroner. N?ytrinoer er elektrisk n?ytrale og reagerer bare svakt med synlig materiale. Det farer n?ytrinoer gjennom oss hele tiden. For dem er det nesten ingen forskjell om de passerer gjennom tomt rom eller Jorda.
Uheldigvis forklarer ikke n?ytrinoer den store mengden med m?rk materie i universet. M?rk materie m? derfor v?re noe annet.
Altomfattende problem
Astrofysikerne klarer ikke ? l?se g?ten alene. De m? ha hjelp av partikkelfysikerne.
– Uten grunnleggende forskning p? de aller minste partiklene i universet er det ikke mulig ? finne svaret p? et av de aller st?rste ul?ste problemene i universet, forteller Kvellestad.
Oppgaven er alt annet enn enkel. Partikkelfysikerne skal finne helt nye typer partikler, som de ikke vet hva er for noe og som nesten ikke reagerer med synlig materie. Hvordan i alle dager skal de klare det? De har tre muligheter. Den ene muligheten er ? fange opp kollisjoner mellom m?rke partikler fra satellitter som m?ler hva som skjer i sentrum av galaksen. N?r to m?rke partikler kolliderer, kan det sendes ut to lyspartikler. I teorien er det mulig ? observere disse lyspartiklene. Det store problemet er all bakgrunnsst?yen. For ? si det pent er det ogs? mye annet som lyser opp i universet. Det er derfor ingen enkel ?velse ? finne akkurat de lyspartiklene som stammer fra kollisjoner mellom m?rke partikler.
Selv om brorparten av den m?rke materien er i sentrum av galaksen, svever hele Melkeveien i en sky av m?rk materie. Det raser faktisk m?rk materie gjennom oss hele tiden. Den andre muligheten er derfor ? bygge en sv?r detektor p? Jorda og h?pe p? at en m?rk materiepartikkel en sjelden gang vil kollidere med et atom inne i detektoren.
– Dessverre er sannsynligheten for at dette skjer, veldig liten.
Likevel gj?res det iherdige fors?k. Forskere har visse steder plassert detektorer i nedlagte gruver for ? skjerme dem mest mulig for kosmisk str?ling. Da kan de sitte der nede, langt under bakken, og vente p? at detektoren skal si pling. Med bare noen f? m?linger i ?ret er dette en gedigen t?lmodighets?velse. Dessuten er det ikke sikkert at plingen skyldes m?rk materie, og hvis den skyldes m?rk materie, kan det tenkes at detektoren bare fanget opp en liten n?ytrino. Men det er jo ikke n?ytrinoer forskerne leter etter. De vil finne m?rke partikler.
Gjenskaper partiklene
Den tredje muligheten er ? fors?ke ? produsere de m?rke partiklene selv. Det skal gj?res p? CERN, som ligger utenfor Genève, p? grensen mellom Sveits og Frankrike. Her finnes det en enorm partikkelakselerator der protoner i tiln?rmet lysets hastighet kolliderer med hverandre. Da er energien s? h?y at det er mulig ? gjenskape partikler som ble dannet i den kosmiske ursuppen rett etter Big Bang, det store smellet, for 13,7 milliarder ?r siden.
N?r protonene knuses med slik voldsom energi, skapes det helt nye partikler med helt andre egenskaper enn de som opprinnelig fantes i protonene.
– Det er som om du kolliderer druer og f?r ut epler, forklarer Anders Kvellestad.
Innimellom kan det dannes m?rk materie. En sv?r detektor skal m?le hva som skjer, men uheldigvis er det ikke mulig ? se de m?rke partiklene. L?sningen er et energiregnskap. Summen av energien m? alltid v?re den samme b?de f?r og etter kollisjonen. Hvis det er ubalanse i regnestykket, m? det ha blitt dannet noen usynlige partikler, som har tatt med seg en del av energien.
Eksperimentalistene er avhengige av teoretikerne for ? vite hva de skal lete etter.
– Teoretikerne kommer med forslag til hvilke eksperimenter som b?r utf?res, og studerer deretter resultatene fra eksperimentene for ? se hvilke teorier som kan ha noe for seg, forklarer Kvellestad.
Vil knuse r?dende teori
De nye eksperimentene p? CERN kan forh?pentligvis rokke ved den r?dende teorien om element?rpartikler. Den kalles standardmodellen og forklarer hvordan alle de kjente element?rpartiklene oppf?rer seg. Den beskriver ogs? tre av de fire naturkreftene; den sterke kjernekraften, den svake kjernekraften og elektromagnetismen. Standardmodellen passer perfekt til alle eksperimentene som er gjort frem til i dag
– Standardmodellen er en av fysikkens h?ydepunkter. Den er fantastisk, men likevel ikke superfantastisk, fremhever Kvellestad.
Standardmodellen har dessverre sine svakheter.
– Den forklarer verken m?rk materie eller gravitasjon, beklager professor Alex Read p? Fysisk institutt ved Universitetet i Oslo.
Standardmodellen kan heller ikke svare p? om de tre naturkreftene, alts? elektromagnetismen og den svake og den sterke kjernekraften, egentlig er ulike sider av samme kraft. Den gir dessuten ikke gi noe svar p? hvorfor universet endte opp med litt mer materie enn antimaterie. Vi skal forresten v?re glade for det. Ellers hadde du og jeg og resten av menneskeheten ikke eksistert.
Fysikerne leter derfor etter andre forklaringer p? hvordan universet er satt sammen. Det er ingen enkel oppgave. De nye teoriene m? alltid v?re i overensstemmelse med eksisterende data, samtidig som de m? gi svar p? noe nytt om de store ul?ste problemene.
Vil bevise fancy teori
Et av de mest popul?re forslagene er noe som kalles for supersymmetrimodellen. Her vil det v?re mulig ? forklare b?de m?rk materie og mange av de andre fenomenene som ikke dekkes av standardmodellen. Hvis det finnes supersymmetri, vil det finnes mange flere partikler enn vi vet om i dag.
Og n? kj?re leser, gjelder det ? holde seg fast i svingene: I den supersymmetriske modellen har alle element?rpartikler en partner. Ethvert fermion har et boson som partner – og omvendt. Men hva i alle dager er fermioner og bosoner? Kort fortalt er fermioner materiepartikler, mens bosoner er kraftb?rende partikler. Eksempler p? fermioner er protoner, n?ytroner og elektroner. Eksempler p? bosoner er fotoner (lyspartikler) og gravitoner (en partikkel som enn? ikke er oppdaget, men som fysikerne mener bidrar til gravitasjonskraften).
– Standardmodellen er en lang og stygg formel. Supersymmetrien er et forslag som kan skape mer orden i dette rotet ved at ligningen ikke skal bry seg om forskjellene mellom fermioner og bosoner. Hvis supersymmetrien eksisterer, skal det finnes mange nye partikler, og hvis vi finner dem, skal vi finne ut av om noen av disse partiklene kan v?re m?rk materie, forteller stipendiat Eli B?verfjord Rye p? Fysisk institutt.
Guds partikkel
Supersymmetrien er n?rt forbundet med en annen eksotisk del av partikkelverdenen som kalles for Higgs-partikkelen, eller Higgs-bosonet som noen velger ? kalle den. For ? spare plass tillater Apollon seg ? kalle denne spesielle partikkelen for Higgs. Higgs var for ?vrig den siste brikken som manglet i standardmodellen. Den spesielle partikkelen forklarer hvorfor alle de andre element?rpartiklene har masse.
Partikkelen ble verdenskjent som Guds partikkel, grunnet en besynderlig, moralsk anfektelse. Forfatteren Leon Lederman, som for ?vrig selv har f?tt en nobelpris i fysikk, skrev en bok om Higgs og foreslo tittelen ?The Goddamn particle?, Guds forbannete partikkel p? godt norsk, fordi Higgs var s? vanskelig ? finne. Forlaget lot seg ikke begeistre. Boken ble derfor hetende ?The God particle?, et begrep som absolutt ingen partikkelfysikere bruker, men som er blitt et yndet begrep blant journalister.
Allerede p? 60-tallet lanserte tre professorer, Peter Higgs p? den ene siden og Francois Englert og Robert Brout p? den andre siden, uavhengige av hverandre, teorien om den spesielle partikkelen. Den vitenskapelige artikkelen til Peter Higgs var p? bare én side. De f?rste ?rene ble han nesten ikke sitert, men da tidenes st?rste og dyreste eksperiment startet p? CERN 30 ?r senere, tok det helt av. I 2012 ble den spesielle partikkelen funnet. Allerede ?ret etter fikk to av professorene nobelprisen i fysikk for den teoretiske beskrivelsen av Higgs. Robert Brout rakk dessverre ikke ? f? prisen. Han d?de ?ret f?r.
– ?nsker du en nobelpris, m? du ha en idé mens du er ung, ha sterk psyke i den perioden ingen leser hva du har gjort og leve lenge nok til ? oppleve at den svenske nobel-komiteen ser p? arbeidet ditt som banebrytende, ler bibliotekar Jens Vigen p? CERN.
Mange tror at supersymmetrien skal l?se et Higgs-problem som standardmodellen ikke gir et godt nok svar p?. Sp?rsm?let er hvorfor Higgs er s? lett. Teoretisk burde den ha v?rt flere milliarder ganger tyngre.
– Supersymmetrien kan forklare hvorfor Higgs er en mye lettere partikkel enn forventet, sier Alex Read.
Flere gudepartikler
If?lge supersymmetrien finnes det ytterligere fire Higgs-partikler. Med andre ord. Det finnes ikke bare én gudepartikkel. Det kan faktisk finnes fem gudepartikler til sammen. Partikkelfysikerne trenger likevel bare ? finne én av disse ekstra gudepartiklene for ? vite at supersymmetrien kan stemme.
– Hvis vi finner noen av de andre Higgs-partiklene, vil det hjelpe oss til ? svare p? hva m?rk materie er, sier Alex Read.
Dette vil v?re en enda st?rre oppdagelse enn ? finne Higgs.
– Det vi snakker om n?, er ? oppdage helt ny fysikk som kan v?re med p? ? forklare m?rk materie. Det er noe alle fysikere h?per p?. Supersymmetrien er bare en av alternativene, men dette er en modell som mange fysikere ser p?. Uansett, vi leter etter helt ny fysikk, sier Eli B?verfjord Rye.
Hun jakter selv etter to helt spesielle supersymmetriske partikler. De kalles for Chargino og Neutralino. Ingen i verden har noen gang funnet dem.
– Det kan godt tenkes at disse partiklene overhodet ikke eksisterer.
Neutralino kan, hvis den blir funnet, v?re en av kandidatene til m?rk materie.
Skyter med protoner
Alle eksperimentene skjer i partikkelakseleratoren Large Hadron Collider (LHC) p? CERN. Den ble opprinnelig bygd for ? finne Higgs, men skal n? oppgraderes i h?p om ? finne tyngre partikler.
LHC er en 27 kilometer sirkelrund tunnel femti til hundre meter under bakken. Her blir protoner i begge retninger akselerert opp nesten i lysets hastighet. N?r hastigheten er s? h?y, har protonene like mye energi som sm? mygg. Det er sv?rt vanskelig ? f? protonene til ? kollidere med hverandre. Ikke glem at protoner er forferdelig sm?. Du kan sammenligne dette med ? skulle skyte klinkekuler fra hver sin side av Atlanteren og f? dem til ? treffe hverandre i skylaget over vulkanen Hekla p? Island. For ? sikre seg at noen av dem treffer, gjelder det ? skyte med s? mange som mulig. Partikkelfysikerne skyter bunter med tusenvis av milliarder protoner i slengen. Hver gang to bunter passerer hverandre, kolliderer vel 20 protonpar. Det h?res kanskje ikke s? mye ut, men ikke glem at protonene raser rundt i tunnelen med en fart p? nesten 300 000 kilometer i sekundet. Hvert sekund passerer det 40 millioner bunter i tunnelen. Det betyr 800 millioner protonkollisjoner i sekundet.
N? oppgraderer CERN anlegget for ? styre str?len enda bedre.
– I dag kolliderer protonbuntene p? skr?tt. Da f?r vi ikke utnyttet dem godt nok. Vi skal n? vri litt p? str?len, slik at hele bunten kolliderer med den andre bunten, forteller Alex Read.
De vil da kunne tidoble antallet kollisjoner.
I hver kollisjon kan det, avhengig av hvordan protonene kolliderer, en sjelden gang dannes eksotiske partikler som forskerne er interessert i. Problemet er ? oppdage dem.
Verdens raskeste detektor
Resultatet av alle kollisjonene m?les i detektorer som er s? h?ye som seks etasjes boligblokker. Detektorene tar bilder av alle protonkollisjonene.
Ettersom antall kollisjoner skal tidobles, m? detektorene ogs? moderniseres for ? fange opp alt som skjer. Detektorer er ikke standard hyllevare. De norske partikkelfysikerne, med Alex Read i spissen, skal n? konstruere den innerste delen av ATLAS, som er en av de to st?rste detektorene. Konstruksjonen skal foreg? i et splitter nytt laboratorium p? Fysisk institutt.
Forskerne vil aldri kunne se de partiklene de leter etter, men de kan studere dem ved ? f?lge sporene etter at de har henfalt. N?r partikler henfaller, blir de omdannet til andre partikler. Den store utfordringen er at ulike partikler kan henfalle til nesten det samme. Fysikerne m? derfor gj?re m?lingene s? n?yaktig som mulig for ? finne ut av hvilke partikler som fantes f?r de henfalte til noe annet.
Avhengig av hvordan protonene kolliderer, kan det en sjelden gang dannes Higgs. Disse partiklene er s? ustabile at de etter kort tid omdannes til to andre partikler, som lever enda kortere. S? lenge disse partiklene dannes f?r de har forlatt detektoren, er det mulig ? m?le dem.
Kort levetid
Det var ikke lett ? finne Higgs. De fant et par hundre av dem ved ? tolke resultatet av 10 billiarder protonkollisjoner. Levetiden til Higgs er forresten begredelig kort. Den er p? mindre enn en trilliardedels sekund. Likevel klarte de ? oppdage dem.
Som regel har de nye partiklene etter en protonkollisjon veldig kort levetid. Hvis sannsynligheten for henfall derimot er lav, og med det menes partikler som lever lenger enn en tiendedels milliarddels sekund, er levetiden faktisk s? lang at partiklene farer ut av detektoren og henfaller utenfor. Da blir de uheldigvis ikke fanget opp i detektoren.
– En mulighet er ? bygge en detektor p? bakkeplan som skal se etter de mer langtlevende partiklene, sier Kvellestad.
Ved ? ?ke energien, alts? hastigheten i kollisjons?yeblikket, eller ved ? ?ke antall kollisjoner, vil det forh?pentligvis v?re mulig ? finne noen av de ukjente element?rpartiklene.
Avhengig av statistikk
Den eneste m?ten ? analysere disse dataene p? er med statistisk analyse. Bare da kan forskerne oppdage nye fenomener og partikler.
Hvis du bare betrakter én kollisjon, kan du ikke si noen ting om at det er blitt skapt nye partikler. I kvantefysikk kan du ikke se eksakt hva som skjer i én enkelt kollisjon, men du kan likevel si sannsynligheten for de enkelte utfallene. Du kan med andre ord ikke ta en enkelt hendelse og si at dette er ny fysikk. Du m? gj?re omfattende statistiske analyser og se etter de statistiske forskjellene i datamaterialet.
Det er ikke mulig ? lagre all informasjonen fra kollisjonene. Det genereres 60 terabyte data i sekundet. I l?pet av en dag snakker vi om like mye lagringskapasitet som i fem millioner vanlige PC-er. Mesteparten av det som skjer, er uinteressant. Disse dataene blir kastet. Utsilingen skjer via en superrask algoritme. Etter hvert skal dette skje ved hjelp av kunstig intelligens.
– Vi beholder bare data fra tusen kollisjoner i sekundet, poengterer forsker James Richard Catmore p? Fysisk institutt ved UiO.
Likevel er det snakk om mye data. Ikke glem at fors?kene skal g? d?gnet rundt mange m?neder i ?ret.
Sikkert som d?den
Statistisk sett kan partikkelfysikerne aldri bevise noe hundre prosent, men de har vist at sannsynligheten er s? h?y som 99,999999 prosent for at Higgs finnes. Eller for ? si det p? en annen m?te:
– Det er bare tre ting i tilv?relsen som er hundre prosent sikkert. Det er d?den, at vi betaler skatt og at Higgs finnes, ler Alex Read.
Dobbeltsjekken
Mange tusen fysikere jobbet med ? finne Higgs. For ? v?re helt sikre p? at de hadde funnet den, ble fysikerne delt i to helt uavhengige team som analyserte kollisjonene i hver sin detektor. De gjennomf?rte fors?kene p? hver sin m?te og 澳门葡京手机版app下载et ikke. Det er hele poenget. Det er ikke nok at det ene teamet oppdager en ny partikkel. Begge teamene m? se det samme. Slik er den naturvitenskapelige forskningen. Alt m? dobbeltsjekkes.
– Det beste vi kan h?pe p? med oppgraderingen av partikkelakseleratoren, er at vi finner noe med litt mer data. Alt som blir funnet, er spennende. Hvis vi ikke gj?r disse eksperimentene, l?rer vi ingenting, sier Alex Read.
– Hva er sannsynligheten for ? finne supersymmetriske partikler?
– Det er umulig ? svare p?. Vi h?per at det skjer. Men vi har ikke sett tegn til supersymmetri enn?. Det kan ogs? tenkes at denne teorien overhodet ikke stemmer. Eller at vi ikke har nok energi i protonkollisjonene. Kanskje de er for tunge til ? bli produsert i dag aksellerator, sier Eli B?verfjord Rye.
Hele poenget er ? tilf?re protonene s? mye energi som mulig for ? kunne fravriste universet dets aller dypeste hemmeligheter.
Planlegger for barnebarna
I dagens tunnel er det ikke mulig ? ?ke energifeltet s? mye. Enormt sterke magneter s?rger for ? akselerere opp hastigheten p? protonene. Jo slakere svingene blir, desto mer energi er det mulig ? tilf?re protonene. Som en av flere muligheter vurderer CERN ? lage en mye st?rre partikkelakselerator, The Future Circular Collider (FCC), under Genève-sj?en, Mont Salève og Jurafjellene. Den skal bli 100 kilometer i omkrets, og vil koste 240 milliarder kroner. Her er det snakk om langt frem i tid. Anlegget vil f?rst kunne st? klart om 30 ?r.
– Da f?r protonkollisjonene ?tte ganger mer energi enn i dag, forklarer professor Erik Adli p? Fysisk institutt.
Fors?kene i denne partikkelakseleratoren skal kunne p?g? 70 ?r frem i tid.
– Tenk p? det! Vi planlegger s? langt frem i tid at besteforeldrene til dem som skal avrunde forskningen p? dette i 2090, nettopp er f?dt, ler Alex Read.
Det store sp?rsm?let er om fysikerne noen gang klarer ? finne m?rk materie.
– Det er et vanskelig sp?rsm?l, men jeg er optimist av natur, fremhever Anders Kvellestad
Da CERN satte i gang Higgs-eksperimentet, visste de at de enten ville finne Higgs eller noe annet spennende.
– Vi har ikke det samme argumentet for m?rk materie. Vi har ingen garanti for ? finne det. Det kan ta fem ?r, ti ?r eller kanskje risikerer vi ? ikke finne m?rk materie i det hele tatt. Men som den optimist jeg er, ser jeg ikke bort ifra at vi har funnet det innen fem ?r, forteller Anders Kvellestad.
Ganske t?pelig tittel p? en ellers god artikkel! Kanskje dere har noen mer velvalgte ord, som kan v?re spennende nok og?som passer bedre - for et universitet? Elllers, mens jeg skriver her,?drives det en del spennende forskning i et laboratorium i R?yken med en fusjonsreaktor?basert p? supertett deutrium. Dette er ogs? spennende stoff! Lykkes de vil Norges olje- og gassresurser v?re verdil?se ganske raskt!..
Grunnstoffet i min forrige kommentar var skrevet feil:?Denne isotop av hydrogen, som er en del av tungtvann, skrives slik:?deuterium. Rett skal v?re rett med akkurat dette! Legger ved en artikkel om forskningen i R?yken, med far og s?nn Zeiner-Gundersen.
Kommentering p? dette dokumentet er skrudd av.