Large Hadron Collider
Hadron därför att det är protoner och joner, vilka är
hadroner, som accelereras. Hadroner är partiklar som
består av kvarkar. Dit hör exempelvis protoner och
neutroner som atomkärnor är uppbyggda av. Collider
står för att partiklarna från två strålar som rör sig i
motsatt riktning kolliderar vid fyra punkter längs
maskinens omkrets.
En grupp elever i trean på skvadern har fått
möjlighet att göra något väldigt intressant, något
många drömmer om. Vi har fått åka till Schweiz
och besöka forskningsanläggningen CERN där
den stora partikelacceleratorn LHC finns.
Innan jag berättar om själva resan och vad vi fick se
på anläggningen tänkte jag förklara vad CERN och
LHC egentligen betyder. CERN är en förkortning av
Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, vilket
ungefär betyder europeiska organisationen för
kärnforskning. CERN betraktas som det ledande
laboratoriet i världen för högenergifysik, partikelfysik
kallas ofta högenergifysik eftersom man behöver höga
energier för att studera dess fenomen experimentiellt.
Det betraktas även som världens största laboratorium
för forskning inom partikelfysik. Den forskning som
bedrivs är i första hand elementarpartikelfysik men
även fundamental fysik inom angränsande områden.
CERN är ett internationellt samarbete med många
medlemsländer. Konventionen för att etablera CERN
skrevs under 29 september 1954 av 12 länder. Idag är
det 20 medlemsländer. CERN ligger utanför
Genève på gränsen mellan Schweiz och Frankrike.
Det är över ett stort område som CERN-området
sträcker sig, med flera olika avdelningar vid olika
experiment och anläggningar. Något annat som är
känt med CERN är att boken och filmen Änglar och
demoner utspelar sig där till viss del.
LHC, eller Large Hadron Collider är den största
anläggningen på CERN. Large står för storleken, det
är världens största och kraftigaste
partikelacceleratoranläggning med 27 km i omkrets.
Storleken på en accelerator är relaterad till hur stor
energi man kan uppnå. För en kolliderare beror detta
på maskinens radie och på styrkan på det magnetiska
dipolfältet som håller partiklarna i sina banor. LHC
återanvänder den tunnel med 27 km omkrets som
byggdes för den förra stora acceleratorn LEP. LEP låg
i samma tunnel men man skulle få ut mer av
acceleratorn LHC, så därför rev man ut LEP och
byggde upp LHC där istället. LHC använder några av
de mest kraftfulla dipoler och radiofrekvenser som
existerar. Storleken av tunneln, magneterna,
kaviteterna och andra väsentliga element på
maskinen, representerar de viktiga villkor som
bestämmer den beräknade energin till 7 TeV per
protonstråle. Varje protonstråle som flyger runt i
LHC kommer att ha en energi på 7 TeV, så när två
protoner kolliderar kommer kollisionsenergin att bli
14 TeV. Energikoncentrationen är vad som är viktigt
för partikelkollisioner.
Den enda anläggningen i världen där man kan ta
fram antipartiklar.
En kolliderare har en stor fördel jämfört med en stråle
som kolliderar med ett fast strålmål. När två strålar
kolliderar med varandra är kollisionsenergin summan
av de två strålarnas energi. En stråle med samma
energi som träffar ett fast strålmål ger mycket mindre
energi.
LHC accelererar två strålar av partiklar av samma
sort, protoner eller blyjoner, vilka är hadroner. En
accelerator kan bara accelerera en viss sorts partiklar,
för det första måste de vara laddade eftersom de styrs
av elektromagnetiska enheter som bara kan påverka
laddade partiklar, för det andra, utom i vissa
specialfall, måste de vara stabila. Detta begränsar det
antal partiklar som praktiskt kan accelereras till
elektroner, protoner och joner, plus deras
antipartiklar. För att få högsta energi vid kollisionen
är det bättre att använda tyngre partiklar, som
protoner istället för elektroner. Det blir då mycket
mindre energiförluster genom så kallad
synkrotronstrålning som uppkommer då laddade
partiklar accelereras vid rörelse i en krökt bana.
Tunneln är av praktiska skäl byggd under marken.
Djupet varierar mellan 175m (under Jurabergen) och
50m (vid Genèvesjön). Den har även en lutning på
1,4 %. En häftig grej, men som samtidigt är väldigt
viktig att ha med i beräkningarna är tidvatteneffekten,
eller snarare månens dragningskraft. Jordskorpan
påverkas på liknande sätt som vatten av månen,
eftersom jordskorpan är elastisk. Från nymåne fram
till fullmåne höjer sig jordskorpan i Genèveområdet
med ungefär 25cm. Rörelsen får till följd att
omkretsen för LHC kommer att variera med 1mm
(totala omkretsen 26,6km). Denna variation kommer
att påverka strålens energi.
Vad ska man då ha LHC till? Vår förståelse för
universum är ofullständig. Teorier vi för närvarande
använder för att beskriva detta ger många olösta
frågor. Orsaken till varför elementarpartiklar har
massa och varför deras massor är olika stora är några
av de mest förbryllande frågorna. Svaret kan vara den
så kallade Higgsmekanismen. Higgsfältet har
åtminstone en ny partikel associerat till sig,
Higgspartikeln. Om en sådan partikel existerar
kommer LHC att upptäcka den. Enligt teorin om
Higgsmekanismen är hela rymden fylld av Higgsfältet
och genom växelverkan med fältet får partiklarna sina
massor. Partiklar som växelverkar kraftigt med fältet
är tunga, men de som växelverkar svagt är lätta
partiklar. Idag har vi kommit ganska nära svaret på
om higgspartikeln finns eller ej. Man har fastställt vid
vilka energier den finns om den finns och letar nu
efter den. Man kommer antagligen få veta om den
finns vid en konferens i juni/juli 2012.
En annan populär idé, som kan förklara varför all den
materia vi ser i universum bara motsvarar 4% av den
totala massan, kallas supersymmetri eller SUSY.
SUSY förutsäger att till varje känd partikel finns en
supersymmetrisk partner. Om SUSY är en korrekt
teori borde supersymmetriska partiklar upptäckas vid
LHC. Med kraftfulla teleskop på marken och
baserade på satelliter har man funnit att all synlig
materia bara motsvarar 4% av universums massa.
Man söker därför efter partiklar och fenomen som
kan förklara mörk massa (23%) och mörk energi
(74%).
LHC kommer också förhoppningsvis lösa problemet
med antimateria. Materia och antimateria måste ha
producerats i samma mängd vid Big Bang. Utifrån
vad vi kan se finns i vårt universum bara vanlig
materia. En lösning på varför det är så kan man
kanske få från LHC.
Dipolmagnet som partiklarna åker igenom. Två hål
i mittenpartiet där partiklar åker åt motsatt håll
med ca 2dm avstånd.
I en accelerator cirkulerar partiklarna i ett vakuumrör
och påverkas av elektriska och magnetiska fält.
Dipolmagneter (magneter med två poler) håller
partiklarna i en nästan cirkulär. Kvadrupolmagneter
(magneter med fyra poler) fokuserar strålen.
Elektriska fält accelererar partiklarna och håller dem i
konstant hastighet då maxhastigheten uppnåtts
genom att kompensera för energiörlusterna. Vi bygger
acceleratorer för att studera processer vars
sannolikheter varierar med kollisionsenergin och ofta
är sällsynta. Vi vill alltså öka sannolikheten för att en
särskild process ska ske och pressar därför ihop
maximalt antal partiklar med rätt hastighet till minsta
möjliga volym vid kollisionspunkterna.
Kontrollrummet på Cern.
Vid kollisionspunkterna finns detektorer, även kallade
experiment, installerade, totalt sex varav jag tänkte
nämna fyra.
En av dem kallas ALICE. Den är en detektor
specialiserad på att analysera blyjonkollisioner. Den
studerar egenskaper hos gluonplasma, ett
materietillstånd där kvarkar och gluoner vid mycket
hög temperatur och densitet inte längre är inneslutna
i hadroner. Ett sådant materietillstånd exeisterade
förmodligen strax efter Big Bang, innan protoner och
neutroner bildades. Här samarbetar mer än 1000
medlemmar från 94 institutioner från 28 länder.
vara av stort värde för att besvara frågan: Varför är
vårt universum endast uppbyggt av materia?
Antalet kollisioner i LHC ligger 600 miljoner per
sekund. Varje stråle består av nästan 3000 buntar av
partiklar, där varje bunt innehåller 100 miljarder
partiklar. Det sker ungefär 20 kollisioner på 200
miljarder partiklar. Buntarna passerar varandra
omkring 30 miljoner gånger per sekund.
Effektförbrukningen ligger på 120MW (SCAs totala
effektbehov är 400MW). Strömmen i
dipolmagneterna ligger på 11700A. Mängden helium
som krävs för att kyla ner LHC och fylla
kylaggregaten är 96 ton. Kostnaden för enbart
acceleratorn är 3 miljarder Euro.
Om strålen blir instabil så finns det sensorer som
känner av det och inom tre varv dumpas strålen in i
ett stoppblock bestående av en trave grafitskivor med
olika densitet. Totala energin i varje stråle är ungefär
350MJ vilket motsvarar rörelseenergin hos ett tåg
med massan 400 ton.
Protoner med max energi i LHC färdas med en fart
som är 99,9999991% av ljusets hastighet. De data
som samlas in vid var och ett av experimenten vid
LHC är tillräckligt för att fylla omkring 100000
DVD-skivor varje år. Man använder sig av internet
för att skicka data till olika universitet runt om i
världen där folk sedan kan sitta och analysera datat.
Allt lagras alltså inte vid LHC, mycket lagras i andra
länder.
ATLAS är byggd för att täcka största möjliga område
för fysikaliska mätningar, från sökandet efter
higgspartikeln till supersymmetri och extra
dimensioner. Den är 46m lång och 25m hög, till
volymen världens största kolliderar-detektor. Här
samarbetar mer än 1700 medlemmar från 159
institutioner i 37 länder.
CMS är konstruerad för att kunna uppnå samma
fysikaliska mål som ATLAS, men med andra tekniska
lösningar. Den är byggd runt en stor supraledande
solenoid (magnet). Här arbetar mer än 2000
människor från 182 institutioner i 38 länder.
LHCb är specialiserad för att studera svag asymmetri
mellan materia och antimateria. Att förstå detta skulle
En detektor som används i ATLAS som mannen på
bilden varit med och tagit fram, en av våra guider
William Murray.
Skrivet och fotat av: Oskar Andersson
