Dagens Drypp fra CERN, sommeren 2004
Dag 0: Forklarende introduksjon
Er du klar for litt input om den mest fundamentale
vitenskapsgrenen av alle: elementærpartikkelfysikk? Og hva som skjer på
dette feltet her på CERN akkurat nå??
Som sagt, her på CERN er det 3-5 timer forelesninger hver dag de neste 5-6
ukene. Forelesningene vil gi innblikk i både fysikkens lover som forklarer
hvordan verden fungerer og hva vi alle er bygd opp av, og også teknikken vi må
bruke for å utforske fysikkens lover, og hvorfor man må til CERN for å gjøre
dette, og ikke kan drive på med det hjemme i stua.
Jeg kommer til å sende deg en liten mail hver dag så lenge forelesningene varer.
Avhengig av tid og om det er noe av interesse å melde vil den være lengre eller
kortere. Kanskje bare én linje. Men, jeg skal prøve å hver gang sende ét bilde
og én formel, for å gi en et grafisk glimt av fysikkens verden... Det er såklart
begrenset hvor presis man kan være med en folkelig tekstlig beskrivelse av noe
så eksakt som fysikk så derfor vil noen ganger det oppstå små "feil og
inkonsekvenser" (dagens Non-Warranty...)
Ok. La oss sett i gang. Og som en foreleser ville sagt, ikke nøl med å stille spørsmål.
E
Kreditering
Bilder og formler er rått kopiert fra forelesningsslidene
i de fleste tilfeller (ellers fra nettet), og jeg krediterer herved alle de
supre foreleserene ved CERN Summer School 2004.
En spesiell kreditt til Antonio Pich for hans facinerende forelesningsrekke om
Standardmodellen (bilder av Higgs og hester er fra hans slider...).
Innholdsfortegnelse
Dagens drypp
1: Stor ring, stor energi og stor masse
Dagens drypp 2: De splittet
atomet
Dagens drypp 3: Eksotiske
kjerner
Dagens drypp 4: Mindre og mindre
Dagens drypp 5: Hvorfor partikkelfysikk er så komplisert...
Dagens drypp 6:
Gravitasjonsbølger
Dagens drypp 7: Akseleratorer
Dagens drypp 8: Antimaterie
Dagens drypp 9: Standardmodellen
Dagens drypp 10: Kvarker
Dagens drypp 11: The Ghost
in the Atom
Dagens drypp 12: Detektorer
Dagens drypp 13: Krefter
Dagens drypp 14: Symmetri
Dagens drypp 15: Andre
laboratorier
Dagens drypp 16: LHC og LEP
Dagens drypp 17: Hva er masse?
Dagens drypp 18: Jakten på Higgs
Dagens drypp 19: Å
skue forbi Standardmodellen
Dagens drypp 20: The Grid
Dagens drypp 21: Total tilintentgjørelse, samt noe ikke fullt så drøyt...
Dagens drypp 22: Fredag
Dagens drypp 23: Å finne en
partikkel
Dagens drypp 24: Universet
Dagens drypp 25:
Spøkelsespartikkelen
Dagens drypp 26:
Materie, antimaterie og brudd
Dagens drypp 27: Tilbake til
Jorden
Dagens
drypp 28: 5 uker med forelesninger, 50 år med CERN
Hei!
Første dag er ferdig. En omfattende introduksjon til CERN og fysikken her, og en
rekke smaksprøver for dagene som kommer.
Jeg nøyer meg med å sende et Bilde1 av CERN-landskapet med de underjordiske
akseleratortunnelene inntegnet, slik at du ser målestokken for det hele.
Der den største hvite ringen går er vi i ferd med å bygge en vanvittig
komplisert konstruksjon 100 meter under jorda.
Hvorfor?
Formel1 er god og gammel. Men Einsteins ligning er fortsatt gyldig og basis for
nesten alle eksperimenter som gjøres her. E=mc^2. Masse er energi. Energi er
masse. Alt er bygd opp av partikler, som f.eks. elektroner. Hvis vi vil finne
nye partikler som ikke er oppdaget før, vil disse som oftest ha større masse en
de partiklene vi allerede kjenner. Siden E=mc^2, og energi til en partikkel øker
med dens hastighet kan vi nøye oss med å la to partikler med høy hastighet
kollidere, siden energien vil da være stor, og som resultat av kollisjonen kan
vi derfor få ut nye, større og spennende partikler.
Derfor den store ringen. Dess større ring, dess større fart kan vi få partiklene
opp i. Og med store hastigheter kan vi altså få ut eksotiske partikler som vi
aldri har sett før, men som kan forklare oss mye om fysikken, og til og med vise
oss nye ukjente sider av den.
Erik
Hei!
Dag to. Fortsatt rolig tempo. Mesteparten av dagen gikk med til et historisk
overblikk.
Vi så hvordan fysikere for 100 år siden trodde de hadde funnet ut nesten alt om
hvordan verden fungerte. De hadde funnet fysiske lover (eller beskrivelser) for
elektrisitet, gasser, planetbevegelser og bølger. De kunne med andre ord
forklare *nesten* alt av dagligdagse fenomen vi kunne observere rundt oss.
Men, det gjensto noen ting som var uforklarlige, og dette angikk stort sett
fenomener som oppsto når veldig små ting ble observert, som lyspartikler eller
atomer. Imponerende bidrag fra fysikere som fortsatt den dag i dag lyser opp i
vitenskapens historie (Einstein, Planck, Schrødinger - han med katten,
Heisenberg... merk deg alle de tyske navnene!), førte til at man fant teorier
som kunne forklare disse observasjonene i mikrokosmos. Teoriene er det som vi nå
beskriver som "kvantemekanikk". Det virker kanskje ikke så viktig å finne ut
hvordan ting oppfører seg i mikrokosmos, men akkurat denne beskrivelsen av
verden gjorde mulig oppfinnelser som datamaskiner, stråleterapi ... og
atombomben.
Vi så spesielt hvordan fysikerne fant ut mer og mer om atomet og dets oppbygning.
Fra å tro at et atom var en liten men kompakt materiebit - som en liten ert - så
vi hvordan Rutherford i 1911 bombarderte atomer med alfapartikler (bilde2), for
å finne ut at atomet var som en enormt tomrom, med en liten massiv kjerne i
midten, og hans kollega Cockroft 21 år senere greide det mange trodde var umulig:
å splitte denne kjernen ved å sende protoner inn mot et atom. De hadde kommet
langt, men mye gjensto fortsatt!
Erik
Hei!
I dag gjorde vi et hopp fra fysikkens historie til en forsmak på noen av de
hippeste forskningsfeltene i dag innenfor området "kjernefysikk" !
Mens "partikkelfysikk" prøver å finne de aller minste byggesteinene vi er bygd
opp av, går kjernefysikken den andre veien: tar utgangspunkt i alle de minste
byggesteinene vi allerede har funnet så langt og beskriver verden (vel, atomer i
alle fall...) ut fra dette.
Noe av det mest artige disse kjernefysikerene holder på med er å lage helt nye
atomer (i betydningen isotoper) (et atom er f.eks. et hydrogenatom, et gullatom
eller et Germaniumatom). Atomkjerner er satt sammen av protoner og nøytroner.
Ved å bruke grunnleggende fysikkunnskaper samt mikroteknologi kan man sette
sammen protoner og nøytroner nesten etter eget ønske. Problemet er at av flere
grunner vil bare noen kombinasjoner av protoner og nøytroner henge sammen, mens
de fleste kombinasjoner er ustabile og bryter sammen med en gang.
Det som er spennende er at man med dagens teknologi kan lage helt nye, og (delvis)
stabile atomkjerner - såkalte "Eksotiske Kjerner" (Exotic Nuclei). Disse nye
atomene vil ingen personer noensinne ha sett før, og de kan ha nye, spennende...
eller farlige egenskaper!
Bilde3 viser et kart over kjente atomer (isotoper), og de nye isotopene vi kan
lage (f.eks. via Formel3). Som du ser er "Terra Incognita" en stor del av kartet.
Det er fortsatt mye å utforske...
Erik
Hei!
I dag hadde vi en glidende overgang fra fysikkhistorie til basisen for
sommerforlesningene på CERN: et minikurs i partikkelfysikk! Vi så først i den
historiske gjennomgangen, hvordan vi bare for noen titalls år siden kunne bevise
eksperimentelt at protonene og nøytronene i atomkjernen ikke er
elementærpartikler, men er bygd opp av enda mindre objekter som kalles "kvarker".
Samtidig gjøv vi løs på akkurat disse i de første egentlige forelesningene om
partikkelfysikk.
Som med så mange andre fysiske resultater ankom kvarkene først som en teori som
simpelthen ble laget av for å *forenkle* naturen (Gell-Mann, 1964), for å mange
år senere bli bekreftet eksperimentelt. DETTE er det som gjør fysikken så flott!
Det handler om å beskrive naturen så enkelt som mulig. Dess renere og enklere
(men dog konsistente!) teorier vi greier å tenke ut, og som samtidig blir
eksperimentelt bekreftet, dess bedre skjønner vi hvordan naturen fungerer.
Kvarkene var en slik forenkling, som startet som en "fiks idé", men som snart
viste seg både å forenkle vårt bilde på verden og altså å kunne bevises
eksperimentelt.
Ta en titt på Bilde4 og Formel 4 for å se på de byggesteinene vi til nå har
bevist at finnes. At vi har bevist eksistensen av disse betyr dog selvfølgelig
ikke at vi utelukker at det eksisterer noe enda mindre.
Erik
Hei!
Fysikk er den displinen, den vitenskapen, som best beskriver hvordan naturen
oppfører seg. Vi observerer, og ut fra observasjonene kan vi finne sammenhenger
som vi så beskriver matematisk. Eventuelt kan vi gå den andre veien og foreslå
teorier, og så se om de stemmer ved hjelp av eksperimenter (iscenesatte
observasjoner).
Det fine med det fysikken er at den stort sett virker fornuftig for folk flest.
Den er jo nettopp basert på observasjoner av naturen rundt oss som vi ser hver
dag! Og inntil forrige århundre var det generelt en god sammenheng mellom
fysikken og folks intuitive sans.
Fysikken vil gjerne også, som sagt i går, beskrive ting så *enkelt* som mulig.
Men på den annen side kan man heller ikke gjøre ting så enkelt at observasjonene
ikke stemmer lenger (Einstein: "Så enkelt som mulig, men ikke enklere"). Og på
starten av 1900-tallet utforsket man to forskjellige grenseland som gjorde at vi
måtte forkaste våre "enkle" teorier fra det såkalte Newtonske verdensbildet.
Det ene grenselandet kom vi inn i når vi studerte partikler som beveget seg
superraskt, nesten like raskt som lysfarten. Både filosofiske betraktninger (som
at lysfarten burde være den samme for en hver observatør i et treghetssystem) og
observasjoner har gitt grunnlag for Einsteins relativitetsteori som bl.a. sier
at selv ikke tiden er konstant i universet. Jeg har min tid og du har din, og
ikke nødvendigvis sammensvarende (jfr. tvillingparadokset).
Det andre grenselandet fant vi når vi studerte partikler som var svært små,
eller fenomener knyttet til svært små objekter. Vi postulerte, og deretter
observerte, en bølgestruktur og derav en underliggende kvantisering av alle
fysiske fenomener! Mikroskopiske fenomener kan kun beskrives korrekt med
kvantemekanikk. Her var det observasjonene som kom først, og så teoriene.
Det som er litt synd med disse nye oppdagelsene - relativitet og kvantisering -
er at det strider mot folk flests sunne fornuft. Hvorfor? Fordi vi ikke kan
observere disse fenomenene i vårt daglige liv. De kommer vanligvis bare til
utrykk i naturens ekstremiteter.
Matematikken som vi bruker for å beskrive teoriene, blir også mer komplisert.
Bilde5 (tatt fra G. Ross, Oxford) viser en inndeling av naturen og hvordan
fenomenene over spiller inn. Formel5 (egen modifikasjon) viser hvordan
matematikken blir tilsvarende mer og mer komplisert.
Å ta i bruk både relativitet og kvantisering, med tilhørende komplikasjoner på
den matematiske siden, er dog den eneste måten vi kan på en konsistent måte
forklare mikrokosmos, og dermed byggesteinene for naturen. *Gevinsten* vi får er
dog at teoriene som kommer ut viser hvordan alt henger sammen på en elegant måte,
med en symmetri i naturen som man bare kunne drømme om for 100 år siden!
Erik
Hei!
I dag hadde vi blant annet en slengforelesning som viste hvor sterkt fagfeltene
partikkelfysikk (læren om det aller minste), og kosmologi (læren om universet)
henger sammen. Forlesningen viste i tillegg det jeg snakket om i går; hvordan
fysikere gradvis har måttet erstatte etablerte teorier med nye, grensesprengende
måter å tenke på.
I dag snakket en professor fra Caltech om "gravitasjonsbølger", og om hvordan vi
kan detektere dem. Gravitasjonsbølger (hvis de eksisterer!) funker stort sett
som lys og vannbølger, men har en ufattelig liten amplitude (10E-21 m) og er
derfor nesten umulig å observere. For å i det hele tatt ha en *sjans* til å
detektere en gravitasjonsbølge må man bygge en enorm installasjon til en kostnad
av en håndfull milliarder kroner, og hvis vi i tilegg vil se hvor den kommer fra
må vi slenge opp et 2-3 installasjoner til over hele verden. Prinsippet er
ganske "enkelt": man har to lystråler reflektert i to nesten perfekte speil. Når
en stor nok gravitasjonsbølge passerer jorda vil speilene bli litt deformert av
denne gravitasjonsbølgen og dermed får man litt annerledes interferens mellom de
to lystrålene.
Hvorfor bruke et håndfull milliarder kroner på dette? Fordi et slikt eksperiment
kan enten (ytterligere) bekrefte eller i verste fall forkaste en av
hovedpilarene for vårt eksisterende verdensbilde: Einsteins generelle
relativitets teori (fancy bilder som Bilde6 er en beskrivelse av denne teorien).
Hvorfor er dette viktig? Som sagt i går, for hundre år siden måtte man forkaste
Newtonsk mekanikk til fordel for Einsteins ligninger (Formel6) - og dette førte
til en revolusjon i fysikken, som igjen førte til en haug av teknologiske
fremskritt (som nevnt dag 2). Mange fysikere drømmer om å oppleve nye lignende
revolusjoner i fysikken, og denne typen eksperimenter kan være en vei. En annen
vei er det vi driver med her på CERN!
Erik
Hei!
Tilbake til noe mer jordnært enn gravitasjonsbølger, nemlig
partikkelakseleratorer. Jeg er jo tross alt på CERN og ikke på et eller annet
romfartsinstitutt.
Vi har hatt 5 timer med forelesninger om akseleratorer, og enda har vi bare så
vidt skummet de viktigste tingene man må tenke på når man skal bygge en slik.
Den første man lærer når man går fra teoribøkene til det virkelige liv er at
ingenting er så enkelt som man skulle tro (jeg vil nesten si at "alt" egentlig
er uendelig komplisert bare man går i dybden).
Samme med akseleratorer... I prinsippet skulle det være ganske enkelt. Man
sender ladete partikler (elektroner eller protoner f.eks.) inn i en sirkelformet
ring. Man styrer så partiklene slik at de følger en sirkelbevegelse ved bruk av
magneter. Basisfysikken her er gitt av en relativt grei ligning, Lorentzkraften
(Formel7, et elektromagnetisk-felt påvirker en ladd partikkel slik at den blir
avbøyd). Vet man farten til partikkelen og radiusen til ringen er jo saken grei,
man setter opp feltet i ringen slik at partikkelen holder seg der og ferdig med
det. Til dette kan vi bruke en enkel dipolmagnet (Bilde7)
Men... så kommer alle komplikasjonene da. Bare et lite eksempel: det virker jo
også en tyngdekraft på partikkelen (uansett hvor små de er). Derfor kjører vi på
noen ekstra magneter som motvirker dette, såkalte kvadrupoler som ordner biffen
ganske bra i vertikal retning. Men, disse vil dessverre forstyrre det fine
feltet vi hadde i horisontal retning... Et annet problem er at ingen av
magnetene vi bruker er ideelle. Dvs. de gir ikke akkurat det feltet vi ønsker. I
tillegg får vi ikke plassert dem så nøyaktig som vi vil. Alt dette forstyrrer
partikkelens bane. I tillegg kommer en hel rekke andre effekter, til og med
månens posisjon vil virke inn. Vi kjører på med enda mer sensitive men
kompliserte magneter, såkalte sextupoler (Bilder7...). Kan korrigere bedre, men
mer komplisert.
Det gjør heller ikke saken lettere at vi ikke styrer én partikkel, men en del
milliarder om gangen i ringen. Disse påvirker hverandre også, og gjør saken enda
mer grumsete. Videre sender partiklene vi styrer ut noe lysstråling (fotoner,
som også er partikler) som slår inn i veggene på akseleratoren, som igjen slår
ut andre elektroner som menger seg med partiklene vi styrer. Osv. osv. sov. sov.
Heldigvis har vi metoder for å hjelpe oss å regne på disse korreksjonene, f.eks.
såkalte Tune-diagrams (Bilde7...). Hvis man *virkelig* vil prøve å få litt
styring på rakkerne kan man til og med prøve å måle hver enkelt partikkels
energi med en beam-position-monitor, og korrigere den med en kicker ("Stochastic
Cooling", CERN Nobel Pris 1984).
Så, det enkle bildet av en partikkelakselerator øverst til venstre i Bilde7
holdt ikke lenge. Men som man sier til enhver student som kommer våt bak ørene
ut fra universitetet: "Welcome to the REAL world".
Erik
Hei!
Vi avsluttet forrige uke med en utrolig interessant forelesningsfrekke med
Oxford professor G. Ross. Han gikk igjennom fundamentene for dagens
partikkelfysikk. Han var innom masse spennende, bl.a. antimaterie!
Antimaterie eksisterer. Den første antipartikkelen, positronet, ble observert
allerede i 1932. Forskere på CERN har bare for noen år siden (1995, LEAR ) greid
å fremstille det første antiatomet: antihydrogen!
Men antimaterie ble forutsett lenge før den første observasjonen. Hvordan?
Enkelt forklart skjedde det følgende: man observerte at elementærpartikler har
bølgeegenskaper. Derfor framsatte man en teori (matematiske ligninger) som
beskrev godt bølgeegenskapene - e.g. "problem løst". Problemet var at noen av
løsningene på disse ligningene virket ufysikalske (dvs. de kunne ikke
representere noe kjent fysisk fenomen , formel7). Hmm.. massiv hodekløing på
gang, men til slutt fant en smarting, P.A.M. Dirac, ut at man kunne tolke disse
løsningene som et type materie med motsatte egenskaper enn det materiet vi
kjente fra før. Og senere man *fant* altså antimateriet i
laboratorieeksperimenter!
Dette viser den utrolige kraften matematikken har i fysikken. Man satte opp en
matematisk teori som beskrev et observert fenomen. Ut fra teorien formelig
ramlet det ut noen ekstra løsninger som ingen hadde tenkt på, og slik fant vi
altså antimaterie.
Erik
Hei!
De siste 100 års forskning i partikkelfysikk, fra Einsteins relativitet og de
tidlige kvantemekaniske beskrivelsene av verden, via et haug av teorier og enda
flere eksperimenter, har kuliminert i en beskrivelse av mikrokosmos som kalles "Standardmodellen".
Standardmodellen beskriver hvilke elementærpartikler vi er satt sammen av - og
hvilke krefter som virker på disse partiklene. Alt på en matematisk meget
elegant måte. Standardmodellen forutsetter en rekke egenskaper til disse
partiklene, og gjennom eksperimenter, bl.a. på CERN, har disse egenskapene blitt
observert akkurat som forutsatt.
Det er mye å si om Standardmodellen, men vi skal ha en hel rekke forelesninger
om den, så foreløpig sender jeg bare et "folkelig" bilde (som brukt av vår
foreleser...) av elementærpartiklene som inngår i Standardmodellen. Det som man
kan legge merke til er at elementærpartiklene består av 3 parallelle familier (horisontalt
inndelt).
Det som er litt spesielt er at den øverste familier har vi kjent til lenge - og
er også godt kjent blant folk flest: den består av f.eks. elektroner og fotoner
(lyspartikler). Faktisk er *alt* naturlig materiale vi finner rundt oss på jorda
bygd opp av "kjentfolksfamilien" alene. Medlemmer av de andre familiene kan vi
kun produsere via eksperimenter (e.g. visse ringer i ostespisene land).
Så man kan spørre: hvorfor i all verden dette behovet for tre familier? Og
hvorfor akkurat tre og ikke mer eller mindre? Eller kanskje finnes det mer enn
tre familier? Eller kanskje alle tre familiene er beslektet?
Typiske spørsmål som fysikere liker å spørre! (Se ellers Formel9)
Erik
Hei!
I følge Standardmodellen er alt bygd opp av en håndfull elementærpartikler. Den
siste typen partikler vi fikk bekreftet eksperimentelt var ”kvarker”.
Det viste seg, så sent som på 60-tallet og at protoner og nøytroner som vi
finner i kjernen av atomer igjen er sammensatt av tre kvarker! (Foreslått
teoretisk: Gell-Mann, 1964, påvist: Stanford SLAC, 1968-69).
Elektroner er dog ikke sammensatt av kvarker, men er elementærpartikler i seg
selv.
En metode å ”se” kvarker på er å bombardere et proton (som består kvarker) med
høyhastighets elektroner. Ved å se på hvordan elektronene beveger etter
sammenstøtet med protonet kan man regne seg til hva et proton består av.
Prinsippet er altså like ”enkelt” som det man brukte når man fant ut at atomet
hadde en kjerne (som beskrevet Dag 2).
Så, dagens status (ifølge Standardmodellen) er altså at man anser de minste
byggesteinene i naturen som (1) elektronet (+ dens slektninger) og (2)
forskjellige kvarker. Dette er påvist eksperimentelt. Alt annet er spekulasjoner
(men dem er det til gjengjeld nok av :)
Erik
Hei!
Når man bare beskriver raskt de forskjellige elementærpartiklene (jfr.
standardmodellen) og sier vi er bygd opp av elektroner og kvarker så virker alt
plutselig så enkelt!
Her er en påminnelse om at ting i mikrokosmos ikke er så likefremme å forstå
likevel: kvantemekanikken som er fundamentet for beskrivelsen av
elementærpartiklene krever at vi godtar mange ting som er helt på tvers av vårt
vanlige syn på verden, f.eks:
* Det er umulig å forutse med sikkerhet fremtiden for en gitt partikkel eller et
gitt atom.
* Uansett hvor mye vi måler og studerer kan vi bare gi en sannsynlighet for en
gitt pariklens bevegelse (mens man før kvantemekanikken trodde man kunne
fortutse nøyaktig hvordan et system, til og med universet, ville oppføre seg i
fremtiden bare man hadde all informasjon om systemet på et gitt tidspunkt).
* Man kan tilogmed si at uten en måling *har* ikke partikkelen noen definert
posisjon [Schrødingers Katt].
Dette er ting som strider mot vår fornuft, men alle eksperimenter viser at det
er slik naturen *er* og at det er fornuften vår det er noe galt med (i alle fall
når vi prøver å bruke den på kvantemekanikk...)
Men hvis vi nekter å godta at mikrokosmos skal være så ulogisk så er vi dog i
godt selskap; mange fysikere har prøvd å drive ut "spøkelset i atomet" og
forklare naturen med våre intuitive, klassiske forestillinger. Et eksempel var
Einstein: "God does not play dice".
Erik
Hei!
For noen dager siden kommenterte jeg oppbygningen av en akselerator, og det at
ting ble ganske komplisert etter hvert.
I tillegg til akseleratoren trenger vi detektorer for å gjøre partikkelfysikk.
Når partiklene kolliderer må man være i stand til, så detaljert som mulig, å se
hva som kommer ut av kollisjonen. To elementærpartikler som kolliderer blir
omdannet til helt andre partikler, men det er umulig å vite på forhånd hvilke.
Teoriene forutsetter visse muligheter (basert på konserveringslover), men det
kuleste er jo hvis man finner helt NYE partikler (kanskje til og med som ingen
har forutsett). Derfor må man studere partiklene etter en kollisjon så nøyaktig
som mulig.
Det vi er interessert i å finne er massen og den elektriske ladningen til en
gitt partikkel. Noen partikler har elektrisk ladning og disse er de
enkleste å detektere siden de blir påvirket av - og påvirker - materialet de går
igjennom (Formel12). Slik kan vi observere banen til en slik partikkel. I
tillegg setter vi på magnetfelt, og ser hvor mye de blir avbøyd, og slik finner
vi momentet. Kalorimetre brukes til å stoppe partikkelen helt og se hvor mye
energi partikkelen har ”lagt igjen” i kalorimeteret. Denne informasjonen
kombinerer man for å regne ut partikkeltypen (masse, ladning).
En ting som kompliserer saken veldig er at det at vi har svært mange, opptil en
milliard, partikkelkollisjoner per sekund...
Partikkeldetektorer blir på grunn av alt dette både store og kompliserte.
Bilde12 viser et tverrsnitt av ATLAS detektoren jeg jobber på. Jeg sender litt
mer info om den litt senere.
Erik
Hei!
En ting Standardmodellen forteller oss er hvilke partikler som utgjør
byggesteinene i universet; nemlig elementærpartiklene jeg nevnte tidligere:
elektroner, kvarker...
En annen ting er beskrivelsen av *kreftene* som virker mellom partikler (og
derfor mellom alle legemer). Vi kjenner alle til både tyngekraften og
elektromagnetiske krefter. Vi observerer for eksempel en elektrisk kraft mellom
to elektrisk ladete gjenstander (tiltrekkende eller frastøtende avhengig om
ladningene er ulike eller like), og denne kraften virker på (lang) avstand.
Mens man før så på elektromagnetiske krefter som noe som "bare oppsto" via noe
udefinert elektisk eller magnetiske felt, forteller Standardmodellen at
elektromagnetiske krefter kommer av utvekslinger av partikler. Krefter som
virker på avstand kommer av såkalte feltpartikler som beveger seg mellom
elementærpartiklene. Og for elektrisk kraft er denne feltpartikkelen intet annet
enn fotonet, som vi allerede kjenner som ”lyspartikkelen"!
Slik tror man ALLE de kjente krefter i universet virker (tyngdekraft, elektrisk
kraft, sterk og svak kjernekraft). Nettopp gjennom utveksling av feltpartikler
(bilde13) – de såkalte bosonene (se figur dag 9).
Vi har dog fortsatt problemer med å få tyngdekraften inn i dette mønsteret, men
mer om det senere!
Erik
Hei!
Naturen er symmetrisk.
Faktisk er symmetri en av grunnpilarene for Standardmodellen og annen fysikk.
Den viktigste symmetrien er at de fysiske lover skal gjelde universelt, og
uansett hvilket "treghetssystem" vi befinner oss i (et treghetssystem er et
system som ikke er i akselerasjon men som kan ha vilkårlig stor fart).
Hvis vi sitter hjemme i stua og studerer hvordan en pendel svinger (tyngekraften...)
så skal den svinge på akkurat samme måte og like hurtig, som om vi sitter i en
bil som kjører i 100 km/t, eller om vi er i et romskip som kjører mot en annen
planet med en konstant fart på 100000 km/t. Naturen har ikke noe "punkt som står
stille". Alle målesystemer (gutterom, bil, romskip) er likeverdige hva fysiske
lover angår. Alle retninger i verdensrommet er likeverdige. I tilegg er
fysikkens lover de samme akkurat nå som om en time. Fysikk er "invariant under
en Lorentztransformasjon". Dette er relativt intuitive konsepter, og de inngår i
ethvert fysikk-kurs på videregående skole nivå.
Dette likhetsprinsippet brukes også i fremstillingen av Standardmodellen. For å
"finne" noen av de viktigste resultatene i Standardmodellen er det nok å gjøre
det følgende:
1) anta at det finnes partikler og beskrive de med et Lagrangefelt, ifølge
kvantefeltteori...)
2) kreve at denne beskrivelsen skal være symmetrisk uansett hvordan du vrir og
vender på det. Matematisk sett skal man kunne gjøre "hva som helst" med
beskrivelsen av feltet så lenge det resultater i fysiske lover som er de samme i
alle systemer ("Local Gauge Symmetry").
3) Ut av disse *veldig grunnleggende* antagelsene ramler det fysiske lover ut,
som stemmer på en prikk med resultatene fra eksperimenter.
Så, ikke nok med at vi kan observere at naturen tilsynelatende virker symmetrisk;
ved å anta at naturen er symmetrisk kan vi utlede/forklare de fysiske lovene på
en elegant måte!
Erik
Hei!
I dag tenkte jeg jeg skulle nevne andre laboratorier a la CERN.
Vi er jo vant til at USA ligger foran på de fleste teknologiske områder. Innen
vitenskap, og innen fysikk spesielt, er det ofte et kappløp om å nå de helt
store oppdagelsene (...få Nobelpriser...) - også nasjoner i mellom. Burde ikke
USA derfor ha noe tilsvarende eller bedre enn CERN og LHC?
Svaret her er nei! CERNs nye akselerator LHC vil være absolutt størst og
kraftigst i verden når den står ferdig - og også helt sikkert de neste 10 årene
(det tar tid å bygge og planlegge slike ting).
Men når det er sagt så er den kraftigste *operative* akseleratoren i verden i
USA. Tevatron heter den og befinner seg ved Fermilab nær Chicago (Bilde15). Den
har en omkrets på 6.3 km. LHC vil være 4 ganger større (27 km) og vil kunne
produsere kollisjoner med 7 ganger mer energi, og derfor forhåpentligvis finne
nye partikler som Tevatron ikke kan se.
Og hva kommer etter LHC? En ring med enda større omkrets? Nei, faktisk ikke.
Hvis LHC blir en suksess og alle budsjetter går igjennom blir den neste
akseleratoren antakelig en *lineær* akselerator på 33 km, som går under navnet
CLIC, og ikke en ny ring! Hvorfor? Fordi lineære akseleratorer er gode på
elektronkollisjoner, som igjen er fine for en bestemt type fysikkeksperimenter,
mens sirkulære akseleratorer er gode på protonkollisjoner som er bra for en
annen type eksperimenter.
Til slutt, for å komme tilbake til konkurransen Europa/USA, kan det nevnes at
LHC ble vedtatt samtidig som (og kanskje som en følge av at) en enorm
akselerator var under planlegging i USA (SSC - "Superconducting Super Collider",
87 km omkrets). SSC ble avlyst i 1993, etter å ha gravd ut nesten 20 km, men LHC
er fortsatt i live!
Erik
Hei!
For å si litt mer om forskjellige partikkelakseleratorer: jeg har til nå
underslått at her på CERN eksisterte det allerede på 90-tallet en akselerator
som hadde like stor omkrets som LHC; nemlig LEP ringen! LEP akseleratoren var i
drift på CERN fram til 2001 da den måtte vike plass for konstruksjonen av LHC
som nå konstrueres i det samme hullet.
Hvorfor bygge en helt ny akselerator???
Den største forskjellen mellom LEP og LHC var at i LEP var det elektroner og
anti-elektroner som støtet sammen, mens i LHC er det to protoner.
Elektroner er elementærpartikler, og derfor så er det relativt enkelt å tolke
resultatet av en slik kollisjon, mens protoner er satt sammen av kvarker, som
igjen er bundet sammen av gluoner. Derfor blir en proton-proton kollisjon alltid
en ganske rotete affære (Bilde16), og vanskeligere å tolke!
Den store fordelen med proton-proton kollisjoner er at det er lettere å få
protonene opp i høy hastighet pga. at de ikke mister så mye energi når de blir
akselerert (alle ladete partikler gir fra seg såkalt synkrotronstråling og
dermed energi når de blir akselerert, men protoner altså mindre enn elektroner).
Vi kan derfor få protonene opp i mye høyere kollisjonsenergier – noe som trengs
for å finne nye partikler.
I tillegg vil proton-proton kollisjoner være bedre egnet for å finne ukjent
materie, nettopp fordi kollisjonene er så rotete at man får ut partikler med all
slags forskjellig energi.
Til sammenligning: LEP kollisjonsenergien var på sitt meste 160 GeV, mens den i
LHC vil være 14 TeV - ca 100 ganger så stor (energien per kollisjon i LHC må dog
deles på de ulike delene av protonene, så den forskjellen blir i praksis ikke
fullt 100 ganger).
Kort sagt trenger fysikken både LEP og LHC. LEP, men sine ”presise”
elektronkollisjoner var utmerket for å spikre parametrene i Standardmodellen og
slik estimere *hvor* vi skal lete etter eventuelt nye partikler, mens LHC
forhåpentligvis faktisk vil finne nye partikler!
Erik
Hei!
Hva er masse?
Dette er den fysiske egenskapen vi er best kjent med. Alle legemer har masse, og
som følge av dette virker tyngdekraften: G = mg, der m er massen til legemet.
Hva sier Standardmodellen oss om masse?
Forenklet kan man oppsummere dette noenlunde:
* For at modellen skal gå opp matematisk når vi antar at partikler har masse
(som vi jo har observert eksperimentelt) er det ikke nok å lage en modell som
utelukkende beskriver elementærpartiklene vi har observer så langt. Man er
i tillegg nødt til introdusere nye elementer i Standardmodellen.
* Man har kommet fram til at den mest
logiske måten å få modellen til å gå opp på er å anta at en mekanisme som kalles
"spontant symmetribrudd" virker i naturen. Ut fra denne antagelsen ramler det en
ny partikkel/felt ut av formlene, som har fått navnet "Higgs".
* Standardmodellen kobler da resten av
elementærpartiklene matematisk til Higgspartikkelen (dvs. det er
vekselvirkninger mellom partiklene). Denne koblingen gir en ekstra ukjent
variabel for partiklene. Hvor stor denne ukjente variabelen er avgjør hvor stor
masse partikkelen har.
* Dessverre sier ikke Standardmodellen oss noe om hvor store de
ukjente variablene er. Den eneste måten å finne disse variablene (massene-termene)
på er å måle dem eksperimentelt.
* Og "enda mer dessverre": Standardmodellen sier oss ingenting om HVA masse
egentlig er. Bare at størrelsen av koplingen av elementærpartiklene mot Higgs er
proporsjonal med den massen vi observerer i eksperimenter.
* Men, pga. at partikler med masse alltid kobler mot Higgs gjør at vi kan tolke
det slik at Higgs er "ansvarlig" for at partikler har masse (hvis
Standardmodellen er riktig).
* Problemet er bare at vi har observert ALLE elementærpartikler i
Standardmodellen gjennom eksperimenter, UNNTATT Higgs.
Konklusjoner:
* Standardmodellen sier oss ikke hva masse er. Men hvis
vi kan få bekreftet at Higgspartikkelen eksisterer så vil vi ha et stykke på vei
i det minste.
* Siden Higgspartikkelen er basert på
antagelsen om spontane symmetribrudd, som er en viktig bærebjelke for hele
Standardmodellen, vil en bekreftelse/avkreftelse på at Higgs eksisterer gi en
bekreftelse/avkreftelse for store deler av Standardmodellen.
*
Dette er så viktig for partikkelfysikken at de fleste anser ”Jakten på Higgs” for
den viktigste grunnen til å bygge LHC!
Erik
Hei!
Jeg nevnte tidligere både LHC, LEP og TEVATRON akseleratorene. Og jeg nevnte
partikkelen vi alle venter på og som kan gi en bekreftelse på Standardmodellen
en gang for alle: Higgs. Higgs er så viktig at en oppdagelse automatisk vil
medføre Nobelpris. Men Higgs har også vist seg å være meget vanskelig å finne!
LEP-ringen ved CERN var den første akseleratoren som man trodde kunne ffinner
Higgs. Akseleratoren startet opp i 1989. Den fant ingen Higgs de første årene,
og ble senere oppgradert kraftig (for større energi). Man gikk stadig opp i
energi (ved å øke hastigheten til elektronene og positronene som kolliderte i
ringen), men stadig ingen Higgs.
Man hadde i mellomtiden vedtatt å bygge LHC (i det samme sporet), og derfor
skulle LEP stoppes i slutten av år 2000.
Man fortsatte å kjøre LEP til siste slutt. Man økte og økte energien – langt
over det ringen var designet for – slik at noen mente av ringen ville bryte
sammen hvert øyeblikk!
Men, plutselig, i de siste månedene av LEP operasjonene fant en gruppe fysikere,
etter nøye analyse av kollisjonene, et klart spor etter Higgspartikkelen. Det
var tegn på at Higgs kunne ligge like over energien som LEP kjørte på de siste
ukene. Resultatene ble presentert og mange var overbevist om at bare man tynte
LEP *litt* til ville man endelig finne Higgs!
Men, resultatene var ikke entydige, og ledelsen mente at det var viktigere å
starte på LHC enn å tyne LEP enda mer, og til manges skuffelse skrudde man av
LEP.
Til gjengjeld vil LHC vil garantert finne Higgs hvis den finns.
Men... det som også *kan* skje er at Tevatron i USA finner Higgs. Tevatron har
korrekt energinivå, men har hatt en del problemer med å få nok kollisjoner til å
si noe sikkert om Higgs. Mange tror ikke de vil greie å få orden på saken, i
hvert fall ikke før LHC inntrer banen. Men Amerikanerne jobber med saken...
Kort sagt: hvis dere leser slutten av tiåret at ”CERN finner Higgs” vil det være
CERN’s største bragd noensinne.
MEN: hvis dere leser før dette at ”Tevatron finner Higgs” vil vi få mange
skuffete fysikere gående rundt på CERN, med langt mindre inspirasjon for å bygge
ferdig LHC...
Erik
Hei!
Som sagt er Standardmodellen det rådende verdensbilde innenfor fysikken, og når
og hvis vi finner Higgs vil vi få en bekreftelse på modellens godhet.
Men betyr dette at modellen forklarer alt, selv om vi finner Higgs?
Selv om Standardmodellen har vist seg å stemme med meget bra med virkeligheten
har den endel svakheter. De viktigste er:
* Standardmodellen sier oss ikke noe om tyngdeskraften! Matematisk fungerer
modellen likevel, fordi gravitasjonskraften på elementærpartikler er
forsvinnende liten i forhold til de andre kreftene som virker.
* Standardmodellen antar et relativt stort antall elementærpartikler (se Dag 9).
De fleste mener det hadde vært mer ”elegant” om vi hadde et mye mindre antall
grunnelementer i verden.
* Det gjelder de forskjellige kreftene vi har funnet. Det hadde vært mer
”naturlig” om det bare hadde eksistert én kraft
* Og... de eksperimentene vi har gjort til nå har alltid vært begrenset av en
bestemt energi. Det er ikke selvsagt at vi kan ekstrapolere Standardmodellen fra
energier fra ~100GeV vi har undersøkt til nå og oppover til den uendelige.
Derfor er teoretiske fysikere opptatt med å tenke ut alternativer til
Standardmodellen. Dog må nye teorier alltid stemmer overens med Standardmodellen
for de energinivåene vi allerede har undersøkt.
Noen ideer som fysikere jobber med innebærer:
1) Supersymmetri
Elementærpartiklene vi har oppdaget til nå er delt opp i partikler som materie
er bygd opp av (leptoner og kvarker) pluss partikler som overfører krefter (bosoner).
Denne oppdeling av elementærparikkler i to vidt forskjellige og usymmetriske
kategorier virker noe merkelig. I Supersymmetrimodellen har hver partikkel en
slektning med motsatte egenskaper (en kvark vil alltid ha et eget boson som
slektning og vice versa).
2) Ekstra dimensjoner
Det er en haug av teorier som postulerer nye dimensjoner. Disse dimensjonene kan
bl.a. forklare hvorfor tyngekraften blir så forsvinnende liten på partikkelnivå.
Kanskje Gravitonene som overfører tyngekraften bare forsvinner inn i ekstra
dimensjoner som andre partikler ikke ser?
3) Strengteorier
Hva om vi bare hadde én eneste type elementærpartikler som *alt* annet hadde
vært bygd opp av? Hadde ikke dét vært kult?? Kandidatene for dette heter
superstrenger. Igjen: nye teorier må stemmer overens med de vi allerede har
observert, og strengteoretikeres oppgave er derfor hovedsakelig å vri og vende
på strengteorien sin (de fleste har sin egen variant...) slik at den stemmer med
virkeligheten. Mange tyr til ekstra dimensjoner (gjerne opp til 10-12) for å få
matematikken til å gå opp.
Alle disse teoriene er kun ”ville gjetninger” før man har observert ting. Ingen
har enda sett snurten av en superstreng eller ekstra dimensjoner eksperimentelt!
Hva med vår venn LHC? Kan den hjelpe oss?
Joda! Hvis supersymmetri eksisterer vil energien med stor sannsynlighet være
tilgjengelig for LHC! Også tegn på ekstra dimensjoner kan LHC finne.
Superstrenger vil dog fortsatt være i det blå.
LHC er faktisk designet både for fenomener vi har forutsett og for det
uforutsette – ”LHC er forberedt på alle eventualiteter”. Og *hvis* vi finner noe
uforutsett vil det kunne forandre vårt syn på naturen igjen, i beste (eller
verste??) fall, med en revolusjon ala den vi fikk med kvantemekanikken og
relativitetsteorien.
Erik
Hei!
I LHC vil det være rundt 40 millioner partikkelkollisjoner per sekund.
Bare noen få kollisjoner vil være interessante, mens de fleste vil produsere
partiklerkombinasjoner som vi har sett en milliard ganger før og som vi er
ganske leie av nå! Første steg for å finne nye partikler er å luke ut de
uinteressante kollisjonene.
En såkalt Level-1 trigger i detektoren kaster et lynkjapt blikk (noen
mikrosekund) på separate deler av detektoren etter en kollisjon (e.g: har vi et
høyhastighets elektron der?), og forkaster 99.9% av alle kollisjoner. Videre vil
en High-Level trigger se på de gjenværende 0.1%, og studere resultatene fra alle
delene av detektoren samtidig (sette sammen og se på en hel ”event”), og ut fra
dette igjen stemple 99.9% av alle kollisjonene som uinteressante og forkaste dem.
Vi sitter igjen med rundt 100 potensielt interessante kollisjoner per sekund.
Disse må lagres til harddisk og analyseres grundig før vi kan si noe sikkert om
hva som skjedde i kollisjonen.
For en kollisjon må man lagre opptil 10 MB med data (detaljert informasjon om
partikkelbaner, hvor mye energi som ble lagret i kalorimetrene etc).
Dvs. vi må lagre ca. 1 GB data per sekund, ca. 1 Petabyte per år.
Dette skal ikke bare lagres, dette skal også analyseres. Og det krever masse
datakraft!
CERN har ikke datakraften og lagringsplassen som trengs for dette. Ingen andre
heller!
-
Enter: ”The Grid”. En ny type teknologi som skal gjøre det mulig å dele både
lagringsplass og datakraft over Internett. Gridden kobler sammen grupper av
datamaskiner (på universiteter og bedrifter verden over), og skal gjøre denne
delingen av ressurser mulig.
Tanken er at det skal være like lett å bruke lagringsplass og datakraft som å
forbruke elektrisitet – kobbel deg på Gridden og vips du har ressursene for dine
føtter – så mye som du trenger! En annen analogi for den ideelle grid er et
”World Wide Web for datakraft”. Alt skal fungere sømløst på kryss og tvers av
alle typer datamaskinger og operativsystem...
-
Vel, dette er tanken. Foreløpig er det ikke fullt så enkelt å bruke Gridden. Det
er masse styr med protokoller og sikkerhetsproblemer som gjør det relativt
tungvindt å bruke en grid i dag.
Videre er ikke CERN LHC Gridden (LCG) den eneste Gridden i verden. Andre er i
ferd med å definere andre Gridder. Er disse Griddene kompatible? Neida...
Uansett; det som *er* sikkert er at vi ikke kan prosessere all LHC data her på
CERN alene – og at vi trenger hjelp. Hvor sømløst dette vil fungere får vi om
noen år!
Erik
(En ting til: du har kanskje også sett SETI-screensaveren (den som bruker din
personlige maskins datakraft til å lete etter Aliens)? Vel, denne er strengt
talt ikke basert på Gridsprinsipper, bl.a. fordi den kobler enkeltdatamaskiner
sammen og ikke grupper av datamaskiner).
Hei!
Jeg snakker stadig om at “nye partikler blir skapt” men har til nå glatt
undergått å si noe mer om dette…
Det er to måter vi kan skape nye partikler på: annihilasjon og henfall.
Annihilasjon (total tilintetgjørelse... :) er når en partikkel og dens
antipartikkel kolliderer. Da vil all masse bli omdannet til energi. De
opprinnelige partiklene opphører fullstendig å eksistere. Ut fra denne energien
kan nye partikler dannes ( E = mc^2 ). Dette skjedde for eksempel i LEP ringen (hvor
elektroner og positroner kolliderte).
Partikkelhenfall derimot (eng: partikle decay) er når én partikkel spontant
forvandler seg til flere andre partikler.
Hvordan kan dette skje?
En kvantemekaniker ville kanskje svare deg med et spørsmål: hvorfor skulle dette
*ikke* skje???
I kvantemekanikken gjelder følgende generelle prinsipp: hvis noe *kan* skje -
med andre ord hvis noe ikke er forbudt av en eller annen grunn - *vil* det skje
(”The Totalitarian Principle”). Avledet av dette får vi at hvis det er ingenting
som forbyr en type partikkel å henfalle til andre partikler så vil det skje!
Men det er mange ting som må være på plass før en partikkel kan henfalle! En
rekke fysiske størrelser må være bevart før og etter henfallet (eng: the decay).
Noen er kjente størrelser fra dagligdags fysikk, som energi, elektrisk ladning,
bevegelsesmengde og vinkelmoment. Partiklene som utgjør henfallsproduktet må
e.g. ha samme elektrisk ladning som den opprinnelige partikkelen.
I tillegg setter kvantemekanikken en rekke ekstra restriksjoner, konkretisert
som forskjellige kvantetall (leptontall, baryontall, spinn).
Med alle disse bevaringslovene vil de nye partiklene inneha de viktigste
egenskapene til den opprinnelige partikkelen – og slikt sett blir det litt
lettere å svelge påstanden om at partikler bare henfaller til andre partikler
uten videre :)
Til slutt; en gitt partikkel henfaller alltid til lettere partikler. Heldigvis
har vi noen partikler som ikke har noen henfallsalternativer, dvs. det er umulig
å finne en kombinasjon av lettere partikler som både overholder bevaringslovene
og i tillegg er lettere enn den opprinnelige. Eksempel på slike stabile
partiklene er elektronet og protonet.
Siden vi selv er bygd opp av en hel masse elektroner og protoner er jo dette
fint. Slik slepper vi selv å henfalle i noen større grad!
Erik
It's Friday!!!
:)
E
Hei!
Jeg fortalte sist litt om hvordan de fleste partikler er
ustabile, og derfor henfaller. Hvor fort partikkelen henfaller kommer an på
partikkelens gjennomsnittlig levetid. Grovt sett gjelder det at desto tyngre en
partikkel er, desto kortere levetid har den.
Myonet som er en
relativt lett elementærpartikkel har en levetid på ca. 2.2 mikrosekunder. La
oss anta at et myon skapes i en kollisjon i en partikkelakselerator. Hvis
myonet etter kollisjonen beveger seg med 10% lysets hastighet vil fly en
distanse på ca. 60 meter før det henfaller, og vil
kunne fanges opp av en partikkeldetektor.
Toppkvarken derimot, veier nesten 1700 ganger mer enn myonet
og har en levetid på 0.4 * 10^-24 sekunder (0,…25 nuller…4). Dette betyr at
hvis en toppkvark blir skapt i en kollisjon vil den bevege seg så kort at det er
umulig for enhver detektor å oppdage den!
Men man sier at toppkvarken *har* blitt oppdaget (i Fermilab,
1995). Hvordan?
Partikler som lever fort kort til å bli oppdaget direkte kan
finnes ved å studere deres henfallsprodukter. Man vet også at summen av massen
av henfallsproduktene må være lik massen til den opprinnelige partikkelen. Ved
å beregne hvilke produkter en gitt partikkel kan henfalle til, og samtidig bruke
estimater av massen, kan man indirekte oppdage partikkelen ved observere
den korrekte kombinasjonen av henfallsprodukter og masse i detektoren.
Det er dog andre prosesser som kan føre til at man ser en
gitt kombinasjon av henfallsprodukter i en detektor (husk; en proton-proton
kollisjon er en komplisert affære, se Dag 16). Disse henfallsproduktene kalles
”bakgrunnen”.
Man må skille ”signalet” (henfallsprodukter fra partikkelen man
ønsker å finne) fra ”bakgrunnen”. Summen av massen av
henfallspartiklene kan plottes i et diagram som på Bilde23.
En spiss topp – en resonanstopp – indikerer at henfallsproduktene kommer fra en
partikkel med masse der resonanstoppen befinner seg.
For å kunne få godkjent en oppdagelse av en ny partikkel må
man utføre eksperimentet igjen og igjen til man statistisk sett er meget sikker
på at man faktisk har funnet partikkelen (man må separere
”signalet” godt nok fra ”bakgrunnen”). Statistisk
sett må signalet være
5s
unna bakgrunnen, noe krever en stort antall indirekte funn av partikkelen.
Higgs er enda tyngre enn toppkvarken, og har en tilsvarende
kort levetid og vil aldri kunne sees direkte i en detektor -
selv ikke her på CERN :) Når vi til slutt finner Higgs vil
det derfor ikke være en plutselig ”der er den!” opplevelse, men derimot enden på
en sakte marsj mot målet, som er oppbygningen av en tydelig nok resonanstopp.
Erik
Hei!
Vi er inne i den siste uka
med forelesninger på CERN! Vi har studert Standardmodellen,
partikkelinteraksjoner og detektorer i det lange og det brede.
Den siste uka vender vi
blikket opp mot verdensrommet. Vi se hvordan kunnskapen om partikkelfysikk og
eksperimenter på jorda (f.eks. i LHC...) kan hjelpe oss å forstå universet!
Fagfeltene vi skal innom
er astrofysikk og kosmologi. Begge feltene beskriver trekk ved universet.
Astrofysikken (og spesielt
astropartikkelfysikk) bruker resultater fra partikkelfysikken og fra (CERN)
eksperimenter til å forstå for eksempel hva som skjedde i de første sekundene
etter Big Bang, siden bare partikkelkollisjoner i høy hastighet kan gi oss en
energitettheter som kommer i nærheten av hva som foregikk i Big Bang.
Kosmologi ser mer på de
store linjene og studerer universets struktur. Kosmologer har allerede bevist
at universet er både homogent (grovt sett) og ekspanderende (Hubbles lov,
Formel24). Et stort spørsmål er fremdeles om universet vil ekspandere for
alltid, eller i stedet kollapse. Dette avhenger bl.a. av eksistensen av ”mørk
masse” i universet.
Men også når det gjelder
spørsmålet om mørk masse vil partikkelfysikk og LHC hjelpe oss, som jeg vil
skrive mer om senere!
Erik
Hei!
Du har kanskje hørt om
/ sett bilder av enorme tanker fylt med vann, gravd ned dypt under jorda
(Bilde25)?
Dette er
nøytrinodetektorer; enorme eksperimenter bygd fremfor alt for å detektere
den minste og kanskje mest mystiske elementærpartikkelen av dem alle:
Nøytrinoet (det finnes tre forskjellige; en for hver "familie", Dag9).
Nøytrinoet ble som
mange andre elementærpartikler foreslått av teoretikere (Pauli, 1930) lenge
før det ble observert (1956). Pauli ga seg selv en smekk på lanken fordi
han hadde gjort "noe man som
teoretiker absolutt ikke burde gjøre": å foreslå noe som er nesten umulig å
verifisere eksperimentelt.
Nøytrinoet er nemlig
spesielt vanskelig å observere fordi det ikke har elektrisk ladning, nesten
ikke masse og vekselvirker heller ikke direkte med atomkjerner via den
sterke kjernekraften. For å gjøre en lang historie kort: nøytrinoet
reagerer så sjelden med andre partikler at det gjennomsnittelig kan fly
gjennom 4 lysår (avstanden herifra til nærmeste stjerne) med massivt bly før
det "krasjer" og reagerer.
Hvordan observerer man
så en slik partikkel? Man kompenserer for den minimale sjansen for at et
enkelt nøytrino skal krasje, med å bygge *enorme* detektorer; helst i
nærheten av et sted man vet mange nøytrinoer blir generert (som f.eks. i
nærheten av et kjernekraftverk). Når mange nok nøytrinoer flyr gjennom
detektorvannet vil statistisk sett i alle fall noen av dem reagere en gang i
blant. Som foreleseren vår så elegant sa: "Hva kjennetegner en *god*
nøytrinofysikere? En stormannsgal person som krever stadig mer og mer og
større og større av alt".
Nøytrinoet blir dannet
ved betastråling, der et proton henfaller til et nøytron, et elektron og et
(anti)nøytrino. Vi finner derfor finner stor nøytrinotetthet ved
kjernekraftverk. Den største kilden for nøytrinoer er derimot universet
selv; jorda blir kontinuerlig bombardert av nøytrinoer (som stort sett flyr
rett igjennom).
Mange fysikere har
derfor spekulert på om nøytrinoene i universet kan være en kandidat for den
mørke massen, men inntil ganske få år siden var vi ikke engang sikre på om
nøytrinoer hadde masse i det hele tatt. En av de store fysiske
observasjonene de siste årene er at nøytrinoer faktisk *har* masse (SNO, SK
Bilde25)! Det ser dog ut til at massen er for liten til å være den mørke
massen som kosmologene og astrofysikerene ser etter.
Likevel er
bekreftelsen av nøytrinoets masse svært viktig og har åpnet opp for nye
teorier og dermed et behov for nye nøytrinoeksperimenter. Nøytrinofysikerene
har derfor fått et nytt påskudd for å kreve "stadig og mer og stadig
større".
Erik
Hei!
I dag skal jeg nevne en måte vår kjære LHC kan hjelpe oss å forstå universet
på.
Ved universets begynnelse fantes ikke materie, bare energi.
Kvantefeltsteori og partikkelfysikk viser oss hvordan energi og stråling kan
omdannes til materiale, og etter hvert som universet ble kaldere og kaldere
ble det dannet mer og mer materie.
Et uløst problem i fysikken og kosmologi er dog følgende: som en følge av
symmetrien i fysikken skulle det statistisk sett bli dannet like mye
antimaterie som materie i universet. De to materietypene er ekvivalente og
et fysisk sett symmetrisk universet har ingen preferanser for hva som skal
bli skapt.
Likevel har vi enda ikke funnet tegn på antimaterie i naturlig tilstand,
verken på jorda eller andre steder i universet. Dette er kanskje rimelig
siden enhver partikkel som støter sammen med sin antipartikkel vil
annihilere – tilintetgjøres. En annen måte å si det på er at *hvis* vi hadde
hatt et perfekt symmetrisk univers og det hadde vært like mye antimaterie
som materie i universet så hadde verken planetene, jorda eller menneskene
kunne eksitere siden antimaterie ville flyte rundt blant materie og
kontinuerlig skape kaos og tilintetgjørelser.
Den beste teorien om hvorfor vi har materie og ikke antimaterie i universet
kommer fra studiet av et brudd av en av symmetriene i fysikken:
”ladnings-paritets-brudd” (eng: CP-violation). Dette symmetribruddet har å
gjøre med at ladning og speilsymmetri (paritet) ikke bevares i visse typer
fysiske prosesser. Et slikt symmetribrudd kan forklare materie/antimaterie
problemet, og igjen: det er bare noen få år siden vi endelig fikk fastslått
at ladnings-paritets-brudd faktisk forekommer (NA-48, CERN, 2001 (Bilde25);
dog første indikasjon: USA/PRL 1964).
Vi har altså fastslått at ladnings-paritets-brudd eksisterer i visse fysiske
prosesser, men disse prosessene alene kan fortsatt ikke forklare hvorfor
forskjellen materier/antimaterie er så stor at vi ikke har noe anti-materie
i det hele tatt. Fysikere er derfor fortsatt på intens jakt etter andre
prosesser som viser ladnings-paritets-brudd . Dette er så viktig at et av
de fire eksperimentene i LHC (LHC-b) vil se spesielt etter
ladnings-paritets-brudd - ”CP-violation”.
Erik
Hei!
Jeg har nå skrevet mye om fysikken, universet og
allslags kule ting. La oss nå ikke glemme at for å få utført eksperimenter,
for å finne Higgs og for å lete etter universets gåter må vi faktisk bygge
eksperimentene først! Vi må bygge LHC og vi må ferdigstille detektorene.
Det er dette som pågår for fullt her på CERN nå.
Konstruksjonen av LHC har vært 90% av CERNs aktiviteter de tre siste årene
og vil være minst 90% av CERNs aktiviteter de tre neste også! Titusener av
mennesker både på CERN og i bedrifter og universiteter over hele verden må
vie mange år av sine liv for å få LHC ferdig.
Hvorfor er LHC så utrolig ressurskrevende? Bare for å
ta ét eksempel: i LHC brukes store mengder superledende magneter (i LEP
bruktes normale magneter).
Hvorfor gjør dette ting mye mer komplisert?
For å konstruere en stor (i størrelse) og kraftig (i
feltstyrke) superledende magnet må man bygge opp et enormt apparat rundt
den. Kort sagt kreves det tre steg for å få det ønskete magnetfeltet: 1)
skape et meget godt vakuum, 2) kjøle ned og 3) lede strøm (strømmen vil så
sette opp magnetfeltet).
Man har i dag funnet materialer med superledende
egenskaper opp til 139 grader Kelvin (Hg0.2Tl0.8Ca2Cu3O, 1995), men i
praksis er disse ubrukelige da de enten er for skjøre, eller ikke kan gi
kraftig nok felt. En effektiv superledende magnet (LHC bruker Nb-Ti) må i
praksis kjøles ned til 2-5 grader Kelvin. Dette gjøres ved å pumpe flytende
Helium med samme temperatur gjennom metallet (kaldmassen).
Da LHC bruker superledende magneter både i detektorene
og i akseleratoren (på 27 km) kreves det et enormt apparat av kjøleskap,
kompressorer, turbinsystemer og rørledninger på alle kanter bare for
nedkjølingsbiten.
I tillegg kan ingenting kjøles ned uten å ha et godt
vakuum (ca 10E-7 atm…) omkring siden luft leder varme. Derfor må man ha et
såkalt vakuumskip rundt kaldmassen, samt et sinnsrikt system av pumper (en
type pumpe kan ikke alene pumpe fra 1 atm til 10E-7; man må ha minst tre
typer, samt en komplisert kontrollprosedyre).
Til slutt, for å få det ønskete magnetfeltet må man lede
en strøm på opptil 20500 ampere – med tilsvarende tekniske utfordringer.
Arbeidet med LHC er spesielt vanskelig da dette aldri
har vært gjort før på en så stor skala. Der er når ting faktisk skal bygges
at fysikken kommer aller best i kontakt med den ”virkelige verden”. CERN er
fullt av (brutte) deadliner, (umulige) framdriftsplaner og (udugelige)
mellomledere – akkurat som de fleste store bedrifter… :)
Svært mange vil si at hovedutfordringen i dagens fysikk
er ikke å komme opp med nye teorier – men å bygge eksperimentene som kreves
for å teste dem. Og igjen, problemet er ikke at det er teoretisk *umulig* å
bygge dem, men at teknologien ikke helt moden, at den er så kompleks og at
størrelsen på prosjektet gjør det hele svært uoversiktlig – også for folk
som følger CERN’s sommerforelesninger…
Mange ting kan og vil gå galt med et slikt prosjekt!
Budsjettoverskridelser og forsinkelser vil bli så store at de kanskje vil
komme i Dagbladet til og med. Men… igjen som med alle viktige prosjekter
utført av entusiastiske mennesker: til slutt *vil* vi lykkes, og vi *vil* få
vår LHC :)
Erik
Hei!
5.5 uker med sommerforelesninger på CERN er ferdig. En
fantastisk oversikt over hvor vi i dag står i utforskningen i mikrokosmos.
Vi har sett at på CERN - i dette øyeblikk - er verdens
største fysikkeksperiment noensinne under konstruksjon: LHC med dens fire
detektorer, ATLAS, CMS, LHC-b og Alice.
Vi har sett viktigheten av LHC:
* Vi har Standardmodellen som har vist seg å beskrive
virkeligheten med en utrolig presisjon gjennom utallige fysikkeksperimenter
over hele verden. Derfor mener vi at med Standardmodellen har vi kartlagt
elementærpartikkelene alt er bygd opp av samt alle kreftene som eksisterer i
naturen.
* Men hele rammeverket for Standardmodellen står og
faller på én ting: hvordan partikler får sin masse. Teorien er
krystallklar: Higgsfeltet og den tilhørende Higgspartikkelen, og spontant
symmetribrudd som tillater noen partikler å koble seg til feltet. Men vi
*må* teste dette eksperimentelt. Så lenge vi ikke har funnet Higgs vil hele
Standardmodellen og spesielt massegenereringsmekanismen være pur
spekulasjon!
* Og i overskuelig fremtid er det bare LHC i verden som
har en rimelig sjanse for å finne Higgs!
Vi har sett en del av de tekniske utfordringene vi står
ovenfor med byggingen av LHC: enorme dimensjoner, umodne teknologier,
budsjettsmessig og tidsmessig press. Dette koblet med prestisjen og
viktigheten av LHC fører til at de fleste mener CERN’s rolle i fremtiden
står og faller med LHC.
Men de fleste tviler ikke et sekund på at CERN skal
fullføre LHC på en verdig måte. CERN har vært i hardt vær før også, har
overlevd mange stormer, og har alltid kommet tilbake. I år fyller CERN 50
år (noe som forøvrig har blitt og vil bli feiret med brask og bram), og har
i løpet av denne tiden bygd mange akseleratorringer, enda flere detektorer,
funnet flere nye elementærpartikler og vunnet Nobelpriser.
Dog er få i tvil om at når LHC står ferdig vil
oppdagelsene som vil følge overgå alt som har skjedd i de 50 tidligere årene
med glans. Vi vil lete etter SUSY, vi håper å finne nye kilder til
CP-violation og vi SKAL finne Higgs!
Og her på CERN befinner altså jeg meg - om enn for en
kort stund i historisk perspektiv - arbeidende på de superledende magnetene
for ATLAS-detektoren, den største detektoren på LHC.
Jeg har fått mye ut av CERN´s sommerforelesninger 2004,
og jeg håper også du lærte noe nytt og at du har sett viktigheten av det som
gjøres her, nemlig det å utforske yttergrensene av den menneskelige kunnskap
om naturen i et internasjonalt og idealistisk samarbeid. Følg med i avisene
fremover; første gang i 2007 når hele greia vil starte langsom opp, og så,
kanskje et par år etter dette, det da de første oppdagelsene vil bli
publisert.
Til slutt; takk for at du gadd å lese disse mailene, som
også funka som en bra inspirasjon for meg selv. Og ikke minst: ikke nøl med
å stille spørsmål i fremtiden du eller venner har om CERN!
Erik
