En ”pilegrimsferd” til partikkelfysikkens Mekka: CERN

Jan Folkvard Evensen, Avd. for kreftbehandling, Klinikk for kreft, kirurgi og transplantasjon, OUS

---

Introduksjon

Ikke overraskende gikk fjorårets nobelpris i fysikk til Francois Englert og Peter Higgs. De fikk prisen for i 1964 å ha forutsagt eksistensen av Higgs-feltet som ved eksitasjon manifesterer seg som den såkalte Higgs partikkelen. De var imidlertid ikke alene om denne bragd. Samme år kom 3 grupper frem til et noenlunde samme teoretisk resultat, uavhengig av hverandre: (1) Francois Englert og Robert Brout, (2) Peter Higgs og (3) Gerald Guralnik, Carl Hagen og Tom Kibble. Det geniale illustreres ved at det samlede sideantall for disse tre artikler når knapt seks.

Etter at tildelingen ble offentliggjort uttalte Guralnik i amerikanske medier at det sved litt. Han er ikke den første som føler seg forbigått ved tildeling av Nobelprisen. Da Otto Hahn fikk Nobelprisen i kjemi i 1944 for oppdagelsen av fisjon, ble Lise Meitners innsats underkjent. Tilsvarende ble det mye støy da Nobelprisen i fysiologi eller medisin i 2003 gikk til Paul Lauterbur og Peter Mansfield for oppdagelser relatert til MRI. Da var det Raymond Damadian som følte seg forbigått. Han foreslo sogar at Lauterbur og Mansfield skulle nekte å motta prisen med mindre han selv ble inkludert.

Når Englert og Higgs først fikk prisen i 2013 skyldes det at det lenge var usikkert om Higgs partikkelen fantes. Den 4. juli i 2012 ble det imidlertid fra CERN annonsert at man med 99.99995 % sannsynlighet hadde funnet partikkelen og 14. mars 2013 bekreftes det at partikkelen oppfører seg som forventet iht. Standardmodellen. Standardmodellen er en knippe teorier om hvordan naturens partikler og krefter vekselvirker. Higgs mekanismen gjør Standardmodellen matematisk konsistent og bidrar til forståelse av hvorfor enkelte subatomære partikler har masse, spesielt W⁺, W^– og Z⁰, partiklene som formidler svak kjernekraft.

Fysikk er ikke lenger ”one man show”. Da funnet av toppkvarken ble publisert i 1994 var det mer enn 1000 forfattere på ”paperet”. Tilsvarende omhandler fjorårets fysikkpris den samlede innsats til tusenvis av mennesker gjennom minst 30 år. At partikkelen ble funnet er fantastisk og sannsynligvis den viktigste oppdagelse siden elektronet ble oppdaget i 1897. Det er rimeligvis umulig å belønne alle som har bidratt, men nobelkomiteen har anerkjent deres innsats i annonseringen av prisen. Eventuelt kunne prisen gis til CERN som sådan, men organisasjonen fikk på en måte prisen i 1984 representert ved generaldirektør Carlo Rubbia og Simon van der Meer for oppdagelsen av de tre ovennevnte partikler, W⁺, W^– og Z⁰.

CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) er en europeisk organisasjon for forskning på partikkelfysikk, kjernefysikk og kjernekjemi. CERN ble etablert i 1954 av 12 land i Europa, deriblant Norge. Hensikten var å reetablere europeisk forskning, samt å bedre relasjonene mellom europeiske land etter 2. verdenskrig. Organisasjonen har i dag 20 medlemsland, rundt 2600 heltidsansatte pluss nesten 8000 vitenskapsfolk og ingeniører fra 500 universiteter og 80 nasjoner. CERN har et budsjett på 7.2 milliarder, hvorav Norge bidrar med 2.53 % (2009).

I 2010 var jeg så heldig å bli invitert med på en ekskursjon til CERN med gode venner fra avgangskullet 1973, ”Teknisk fysikk”, NTH. Hovedattraksjonen var LHC (Large Hadron Collider). Dette er en enorm partikkelakselerator som ligger 100 m under overflaten i fjellmassivet mellom Sveits og Frankrike, like i nærheten av Geneve. En av årsakene til at den ligger dypt i fjellmassivet er geostabilitet. Men selv på dette dyp påvirkes den av månens gravitasjon som lager tidebølger i jordskorpen. Dette må det korrigeres for. Ved å ligge så dypt skjermes den også for kosmisk stråling. Akseleratoren er sirkulær og 27 km i omkrets. Den har 2 kanaler og akselererer protoner i hver sin retning opp mot lysets hastighet. Akselerasjonen foregår trinnvis i en kjede av akseleratorer: det starter med en lineærakselerator for så via 3 protonsynkrotroner å ende opp i LHC med energi 450 GeV. LHC akselererer så protonene videre til maksimalt 7 TeV. Protonene kan bringes til å kollidere 4 steder i akseleratoren. Her er det anlagt detektorer som registrerer utfallet av kollisjonene: ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus), ALICE (A Large Ion Collider Experiment), CMS (Compact Myon Solenoid) og LHCb (Large Hadron Collider beauty).

Med LHC ønsker man å tette hull i Standard modellen. For det trenger man flere eksperimentelle data. Videre søker man svar på følgende spørsmål: Hva er masse? Hva er 96 % av universet sammensatt av? Hvorfor er det ikke mer antimaterie? Hvordan var materien de første sekunder etter Big Bang? Finnes det flere enn 3 (rom) + 1 (tid) dimensjoner? og endelig – finnes supersymmetriske partikler?

Hva er det så som skjer i LHC? Ved høyenergetiske kollisjoner materialiseres energi til partikler iht. til Einsteins likning E = mc², hvilket er det samme som at m =
E/c². Masse angis derfor ofte med enheten eV/c². Teorien om Higgs mekanismen sier intet om Higgs partikkelens masse. Man har lett etter partikkelen i mange år og i 1990 viste man at massen måtte være større enn 25 GeV/c², og i 2003 større enn 115 GeV/c².  I havet av partikler som dannes ved 7 TeV proton-proton kollisjoner håpet man å finne Higgs partikkelen, dvs. nedbrytningsprodukter av Higgs partikkelen idet den har meget kort levetid (1.6 10 ^-22 s). Fysikerne måtte altså ha en formening om potensielle nedbrytningskanaler for Higgs partikkelen og fokuserte på 2 kanaler med lett kjennbar signatur. I ATLAS konsentrerte man seg om den såkalte 2 foton kanalen (γγ) og ved CMS 4 lepton kanalen (4l) og i juli 2012 kunne ATLAS og CMS bekjentgjøre funnet av en ny partikkel som var forenlig med Higgs iht. Standardmodellen. Partikkelen hadde en masse på 125 – 126 GeV/c².

Programmet for ekskursjonen var godt planlagt og varte fra kl. 0900 til kl. 1700: (1) Introduction to CERN, (2) Scientific computing at CERN; (3) Lunch, (4) Visit to ATLAS, (5) Transport to CERN Control Center, (5) Visit to CERN Control Center (CCC).

Introduction to CERN

Vi ble mottatt i resepsjonen CERN. Gulvet i resepsjonen var et imponerende skue (Fig.1). Det var dekorert av den franske kunstneren Serge Moro og installasjonen ble kalt Cosmic Song. Kunstverket detekterte kosmisk stråling og lyste opp i fantastiske farger i partikkelregnet fra rommet.

På vei til auditoriet passert vi gamle boblekammer (Fig. 2). Boblekammer er instrumenter for visualisering av spor etter partikler som dannes ved ovennevnte kollisjoner. Slike spor kalles ”jets” (Fig. 3 og 7). Ut i fra slike ”jets” kan partikler identifiseres. Dette har vært utgangspunkt for mang en hovedoppgave i partikkelfysikk. Boblekammer er nå erstattet av ovennevnte detektorer. Disse er enorme strukturer (Fig. 4). Bare i ATLAS er det mer jern enn i Eifel tårnet. Detektorene er sannsynligvis det mest avanserte noen gang frembrakt av menneskehånd.

Våre verter var norske. De fokuserte innledningsvis på hva nordmenn hadde bidradd med i partikkelfysikk og ved CERN. Vår store matematiker Sophus Lie (1842-1899) har bidradd med det matematiske grunnlag for mye av fysikken. De såkalte Lie grupper står sentralt i en fysikers arbeid med å utlede eksperimenter og observasjoner til fysiske lover og grunnleggende sammenhenger i naturen. Kristian Birkeland (1867-1917) var tidlig ute med tanker omkring mørk materie. Odd Dahl (1898-1994) ledet arbeidet med planlegging og konstruksjon av CERNs første store protonsynkrotron. Han sto forøvrig bak arbeidet med konstruksjon av van de Graaff akseleratoren på Haukeland og Blindern. Rolf Widerøe (1902-1996) var akseleratorkonstruktøren over alle. Johan Baarlie var i perioden 1961 til 1980 sjef for strålevernavdelingen ved CERN. I en bisetning ble det nevnt at i 1973 (klassens avgangsår) fikk nordmannen Ivar Giæver (1929-) nobelprisen i fysikk for den eksperimentelle påvisning av den såkalte ”tunnel effect” i supraledere.

Scientific computing at CERN

Forsøkene i CERN genererer store mengder data (Fig. 5). The Worldwide LHC Computing Grid (WLCG) er et globalt nettverk av 150 regnesentraler i nesten 40 land. Hensikten er å fordele, lagre og analysere de ca. 25 petabytes (25 millioner Gigabytes) data som årlig genereres ved LHC. WLCG muliggjør tilnærmet real-time tilgang til data fra LHC for mer enn 8000 fysikere rundt omkring i verden. Det skal nevnes at det var Tim Berners-Lee ved CERN som fant opp World Wide Web (WWW) nettopp for å lette kommunikasjonen mellom fysikere. I anledning WWWs 20 års jubileum i 2009 skriver redaktøren for CERN Courier: ”Twenty years ago something happened at CERN that changed the world forever”. Det året, 1989, presenterte Tim Berners-Lee et manuskript for sine ledere: Information Management: A Proposal. Manuskriptet skisserer hovedideen for teknologien som gjorde WWW tilgjengelig i hele verden. I 1994 forlot Tim Berners-Lee CERN til fordel for Laboratory for Computer Science ved Massachusetts Institute of Technology (MIT).

Visit to ATLAS

LHCs forløper var LEP (Large Electron-Positron Collider). LEP var operativ fra august 1989. Til å begynne med var akseleratorens energi 91 GeV, men ble etter hvert oppgradert til 209 GeV, nok til å produsere Z- og W-bosoner. Mot slutten av driftsperioden fikk man indikasjoner på at en Higgs partikkel med masse 115 GeV kunne vært observert, men statistikken var for dårlig. Man fortsatte med ytterligere noen måneders drift uten at statistikken ble bedre. Det var forslag om å utvide driften ytterligere ett år men det ville forsinke oppstart av LHC og i 2000 ble LEP demontert som opprinnelig planlagt.

Protoner sirkulerte første gang i LHCs hovedring 10. september 2008 (first beam day). Bare 9 dager senere inntraff en feil i en elektrisk forbindelse mellom 2 magneter hvilket resulterte i lekkasje av flere tonn med flytende helium (T = 1.9 K) som straks ekspanderte med voldsom kraft og ødela mer enn 50 supraledende magneter og forurenset 750 meter av tunellen. Dette forsinket prosjektet med 14 måneder, men 20. november 2009 sirkulerte det igjen protoner i ringen og 3 dager senere tok de første kollisjoner plass mellom to 450 GeV protonstråler. I 2010 og 2011 opererte LHC ved 3.5 TeV per stråle og i 2012 4 TeV. LHC oppgraderes nå til å kunne operere ved 6.5 TeV per stråle i april 2015.

ATLAS er bygd omkring et kollisjonspunkt og er ment å detektere partikler som dannes ved proton-proton kollisjoner. I prinsipp enkel, men i praksis meget komplisert. Den veier rundt 7000 tonn, og er 46 meter lang og 25 meter høy (Fig. 4). ATLAS fanger opp partiklenes bane, deres energi og ladning.

Detektoren er bygd opp lagvis, med 4 hovedkomponenter: 1) indre detektor, 2) kalorimeter, 3) myon sprektrometer og 4) magnet system. Hvert lag er konstruert til å kunne fange opp forskjellige egenskaper ved partiklene når de farer gjennom. Den indre detektor måler momentet til ladete partikler. Kalorimeteret måler partiklenes energi. Myon spektrometeret identifiserer og måler momentet til myoner. Magnetene avbøyer baner til ladete partikler og muliggjør måling av deres moment.  Mer enn 3000 fysikere fra 174 institutter i 38 land, deriblant Norge,  arbeider med ATLAS eksperimentet (Fig. 6).

Visit to CERN Control Centre (CCC)

Som tidligere nevnt foregår akselerasjonen trinnvis i en kjede av akseleratorer før protonene injiseres i LHC. CERN teller i alt 8 akseleratorer med tilhørende kryoanlegg og teknisk infrastruktur. Innledningsvis ble dette styrt fra 4 separate kontrollrom. Optimal drift av LHC er imidlertid kritisk avhengig av CERNs øvrige akseleratorkompleks. I 2003 ble det derfor bestemt å bygge et felles kontrollrom for å erstatte de opprinnelige fire. Dette muliggjør en mer strømlinjeformet drift.

CERN Control Centre kom i drift 1. februar 2006. CCC er et enormt rom på 625 m² med store vinduer og flott utsikt langs den ene veggen og de øvrige vegger tapetsert med monitoreringsskjermer. Senteret har 39 konsoller fordelt på fire hjørner (Fig. 8). Hvert konsoll har 6 skjermer for kontroll og monitorering. CCC er bemannet 24 timer i døgnet hele året, også i “shut down” perioder. Når LHC går for fullt er det 13 operatører i hvert skift, assistert av en rekke, hvert på sitt felt eksperter.

Under vårt besøk gikk LHC for “halv maskin” og det var høy aktivitet i CCC. Siden LHC var i drift fikk vi ikke tilgang til selve akseleratoren. Tilgangen til LHC tunnelen er forøvrig strengt regulert av sikkerhetsmessige grunner. Drift av partikkel akseleratorer som LHC er alltid assosiert med stråling. Også utenom drift er det stråling ved at det induseres radioaktivitet under drift. Tunnelen er derfor radioaktiv. Høyest er radioaktiviteten der hvor protonstrålen deponeres etter drift, de såkalte “dump caverns”, og der hvor strålen kollimeres. Derfor har bare autorisert personell adgang til tunnelen. Etter drift vil spesialutdannede teknikere måle doserater der hvor man må ha tilgang og beregne hvor lenge man kan oppholde seg der.

”Kuriosa”

• LHC er verdens største ”maskin”.
• Planetens hurtigste ”racebane”, protoner passerer 11 245 ganger per sekund
• Solsystemets tommeste rom (10 ^-13 atm), som å evakuere en katedral
• Galaksens varmeste (15 10¹⁴ K) og kaldeste sted (1.9 K).
• Har de største og mest sofistikerte detektorer som noen gang er laget
• Verdens kraftigste computere
• Lagret energi i magnetene er 11 GJ. Total energi i hver protonstråle er 350 MJ, av samme størrelsesorden som et 400 tonns tog med hastighet 150 km/t.
• Trekker like mye strøm som hele Geneve

CERN Neutrinos to Gran Sasso (CNGS)

Avslutningsvis kunne jeg tenke meg å si noen ord om forsøkene i Gran Sasso. Som flere sikkert vil huske ble det i september 2011 slått stort opp i media at man hadde funnet partikler som beveget seg hurtigere enn lyset, hvilket skulle være en umulighet iht. gjeldende fysiske teorier.

Det såkalte ”CERN Neutrinos to Gran Sasso” prosjektet tar sikte på å belyse en del uavklarte forhold rundt neutrinoer. Neutrinoet er en elementærpartikkel (lepton) som forefinnes i 3 ”smaks-varianter”: elektron-, my- og tau-neutrinoet. Ved termonukleære prosesser sentralt i solen dannes massivt med neutrinoer. Neutrinoer er karakterisert ved et ekstremt lavt virkningstverrsnitt, dvs. de i svært liten grad vekselvirker med materie. Selv ved tettheter som i solens indre vil et neutrino ha en midlere fri veilengde på 10⁹ solradier, alternativt over et lysår i bly. Denne egenskap er svært viktig idet neutrino fluxen fra solens indre når jorden praktisk talt uhindret. Derved kan de fortelle oss om hvilke prosesser som foregår i solens indre. Måling av elektron neutrino fluxen fra solen viser imidlertid bare 1/3 av forventet verdi, et fenomen som har fått betegnelsen ”The solar neutrino problem”. Forklaringen mener man ligger i såkalte neutrino oscillasjoner, et fenomen jeg bl.a. tok opp i min selvvalgte prøveforelesning om ”Solens fysikk” i 1988. Ovennevnte prosjekt (CNGS) går nettopp på å studere neutrino oscillasjoner. Med dette forstås at neutrinoer, kamelonaktig, kan skifte mellom smaksvarianter når de farer over lengre distanser i materie. Forsøket foregår ved at man sender en my-neutrinostråle i fjell, på det dypeste 11 km under jordoverflaten, fra CERN til Gran Sasso i Italia, en avstand på 732 km. Neutrinoets lave virkningstverrsnitt muliggjør dette. Turen tar ca. 2.4 ms og man forventer å finne tau-neutrinoer ved ankomst.

Det var nettopp under disse forsøkene man mente å kunne påvise at neutrinoet hadde brutt den relativistiske lyshastighetsgrensen. Einsteins spesielle relativitetsteori forbyr partikler å passere lyshastighetsgrensen: En partikkel med mindre hastighet enn lysets kan ikke akselereres til overlyshastighet. Men relativitetsteorien tillater eksistensen av partikler med overlyshastighet. De kalles tachyoner og beveger seg alltid hurtigere enn lyset. De har vært forsøkt observert, men alle forsøkene har vært negative. De eksisterer derfor trolig ikke og må anses som hypotetiske.

22. februar 2012 ble opplysningen om partikler med overlyshastighet dementert, det forelå bl.a. en feil i overføring av GPS signaler til detektorens hovedklokke. Kanskje ikke så rart at det kan snike seg inne en målefeil når en avstand på vel 732 km gjøres unna på vel 2.4 ms. Einstein kan fortsatt hvile i fred.

Litteratur/Anbefalt lesing:

”CERN: LHC – The guide”.  http://cds.cern.ch/record/1165534/?ln=no

Rossi L: The subtle side of superconductivity. CERN Courier 2010; 50 (7):27-30.

Close F: The Infinity Puzzle, Oxford University Press, 2011

Randall L: Higgs discovery: The power of empty space. The Bodley Head, London 2012

The Nobel Prize In Physics 2013 http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2013/popular-physicsprize2013.pdf

Scientific Background on the Nobel Prize In Physics 2013: The BEH-mechanism, interaction with short range forces and scalar particles http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2013/advanced-physicsprize2013.pdf

Wenninger H: An eye-witness report on how the WWW came about. Europhysicsnews 2013; 44 (4): 22-24.

Evensen JF: Jakten på Higgs: Large Hadron Collider (LHC) – fysikkens nye storstue: http://webtv.oncolex.no/Mediasite/Play/9ae77a22c50c4af085f667d5cd4cde371d?catalog=54190625-deb6-433e-869c-b4fbf3b58b6c