Til hovedinnhold
ArtikkelLarge Hadron Collider

Dette er en av menneskets mest imponerende maskiner

Dypt under bakken frontkolliderer den partikler i én milliard kilometer i timen.

Cern

Jakten på «alt»

Sommeren 2012 er verdens øyene rettet mot Genève, en by vest i Sveits på grensen mot Frankrike. I en enkel forelesningssal skal noen av verdens smarteste hjerner i løpet av den neste timen presentere en av menneskehistoriens største oppdagelser – Higgs-bosonet.

Fra presentasjonen der det som trolig var den første Higgs-observasjonen ble lagt frem. Foto: Cern

Folk flest skjønner ikke noe som helst av presentasjonen, og bedre ble det ikke av at den var skrevet med Comic Sans, men alle skjønner at det som blir presentert, det var viktig. Det handlet om mye mer enn bare en liten partikkel.

Jakten på Higgs boson, den mikroskopiske partiklene som kan forklare «alt», har preget fysikkens verden i flere tiår. En slik partikkel er imidlertid både massiv og kortlevd, så for å se om de fikk laget et måtte forskerne ta i bruk en av verdens mest imponerende maskiner

Massivt maskineri

LHC er en massiv maskin. Den krysser grensen mellom to land fire ganger. Foto: Maximilien Brice/Cern

For lang under bakken, i hjertet av Europa mellom de mektige alpene, ligger en av de mest imponerende maskinene mennesket har bygd. Den er hele 27 kilometer lang, holdes under konstant vakuum med en temperatur på flere hundre grader under frysepunktet.

På innsiden flyr millioner av ørsmå protoner på kollisjonskurs med tilnærmet lysets hastighet, en milliard kilometer i timen, før de møter hverandre i en massiv frontkollisjon som når eksplosive temperaturer. Eksplosjonen er så kraftig at hver minste partikkel i protonet skytes ut i massiv fart, og gjenskaper forholdene som fant sted en brøkdel av et sekund etter Big Bang.

Maskinen vi snakker om er en massiv partikkelakselerator, og går under navnet Large Hadron Collider – eller bare LHC. Den er eid og drevet av den europeiske organisasjonen for kjernefysisk forskning, Cern, og lokalisert på grensen mellom Sveits og Frankrike, ved byen Genève.

Det var forskere ved Cern som oppdaget Higgs-bosonet, godt skjult mellom de 600 millionene av disse kollisjonene som finner sted hvert eneste sekund. Og selv om akkurat hva LHC gjør er spennende i seg selv, er det minst like imponerende å se på hva som skjer rundt. For mens de ørsmå protonene suser frem under bakken i et imponerende tempo, jobber flere tusen forskere i en storslagen kamp for å forstå noen av universets største mysterier.

Gudepartikkelen

Peter Higgs, mannen som først teoriserte Higgs-bosonet, beskuer Atlas, ett av eksperimentene som fant bosonet. Foto: Cern

Av de mange, mange tingene Cern bruker LHC til, er det spesielt ett prosjekt som har fått hele verdens fokus: Jakten etter den mystiske «gudepartikkelen» Higgs-bosonet. Kampen for å kunne bevise at dette bosonet eksisterer er for all del ikke alt hverken Cern eller LHC handler om, men det er ikke så rart at lille Higgs får så mye oppmerksomhet fra både media og tusenvis av forskere verden over.

For om forskerne kunne bevise at partikkelen eksisterer, noe de har prøvd på siden den først ble teorisert i 1964, vil den forklare «alt». Den vil være beviset på en av fysikkens største teorier. Finner man denne vil den forklare nesten alt i hele universet, og den vil samtidig forklare hvordan du og jeg, himmelen og sola, faktisk eksisterer.

I en årrekke har disse forskerne jaktet på den lumske partikkelen, og sommeren 2012 kom det store gjennombruddet. To helt uavhengige forskerlag kunne med euforisk stemning og verdens øyne rettet mot seg konstatere at de med overveiende sannsynlighet hadde funnet bosonet. Mars 2013 kunne de konstatere at de var enda sikrere på at dette faktisk var et Higgs-boson

Men for å forstå hva Higgs-bosonet faktisk er, må vi gå langt tilbake i tid – til begynnelsen, og til Big Bang.

Jakten på det ene sekundet

En partikkelkollisjon i Atlas. Mellom alle disse sporene kan Higgs-bosonet skjule seg. Foto: Cern

Big Bang fant sted for 13,7 milliarder år siden – og vi vet egentlig veldig mye om hva som har skjedd over alle disse årene.

Vi vet omtrent når vår egen galakse ble skapt, vi vet hvor gammel sola er og vi har god kontroll på de fleste av fysikkens lover og hvordan alt oppfører seg i vårt univers.

Men det vi ikke vet så mye om, er hvordan alt dette oppstod – altså hva som skjedde i løpet av det første sekundet etter Big Bang. Og hva som skjedde i det ene sekundet definerte de neste 13,7 milliarder årene – og det er dette sekundet LHC hjelper forskerne å forstå.

På ungdomskolen lærte du sikkert at alt rundt oss består av én eneste ting: atomer. Uansett hva du ser rundt deg – buksene dine, kaffekanna, luften og skyene er alle bygget opp av atomer. Fulgte du ekstra godt med i timen registrerte du nok også at atomer er bygget opp av to andre ting: En proton-kjerne og en krans av elektroner.

Men det er mer ved disse atomene. Selve protonkjernen består nemlig av flere byggeblokker, og det er disse byggeblokkene man ennå ikke helt forstår. Det at man ikke helt forstår dem, sørger for at det fortsatt er et åpent spørsmål om hvordan alt rundt oss eksisterer.

Men vi vet hvor svaret ligger – i det første sekundet universet ble skapt, for det var da alle disse byggeblokkene og alt annet vi kjenner rundt oss kom til. Men å komme seg til svaret er ikke akkurat lett, det er tross alt 13,7 milliarder år siden det skjedde

LHC tar oss «tilbake i tid»

Det er her LHC kommer inn i bildet, for den lar oss se tilbake og inn i det ene sekundet, ved å gjenskape forholdene like etter Big Bang. Ved å sende to protoner mot hverandre med en massiv fart vil de møtes i en ekstremt varm kollisjon og eksplodere, noe som sørger for at tusenvis av små partikler skilles ut i et heftig inferno.

Forskerne studerer så hvordan disse partiklene oppfører seg og hva de gjør, i den lille brøkdelen av et sekund de eksisterer etter kollisjonen. Og det er i bunn og grunn hva man har LHC til – for godt skjult i denne eksplosjonen mente forskerne de ville finne sporet av Higgs-bosonet.

Men selve bosonet er ikke alt, det er også noe mer forskerne leter etter – blant annet Higgs-feltet. Dette feltet mener forskerne oppstod i det første sekundet etter Big Bang. Teorien sier at partikler gikk igjennom dette feltet, noe som fikk partiklene til å endre fart – og at denne endringen i fart er det som ga partiklene masse.

Uten dette feltet ville partiklene bare fortsatt ut i universet med lyset hastighet, og aldri samlet seg til å forme stjerner og planeter, deg og meg. Hadde ikke partiklene fått massen sin, ville ingenting eksistert.

Det er iallfall teorien, og for å sjekke om den kan stemme må man først finne bosonet.

En spesiell masse

CMS-eksperimentet til Cern er massivt. Foto: Cern

Det forskerne faktisk jakter etter med LCH, er en partikkel med en spesiell masse. Før oppdagelsen i 2012 viste man ikke hvilken masse bosonet hadde, målt i gigaelektronvolt, GeV. Men i en årrekke har forskerne utelukket store porsjoner av det aktuelle massespekteret.

Med hjelp av forgjengeren til LHC, som het LEP, kunne forskerne utelukke at bosonet befant seg i området under 114 GeV – et tall LHC senere skulle øke til 115 GeV. På den andre siden av Atlanterhavet hadde samtidig amerikanernes partikkelakselerator, Tevatron, utelukket et stort område rundt 160 GeV.

For å kunne søke i den gjenstående delen av massespekteret ble LHC bygget, rett og slett fordi man trengte en langt kraftigere maskin for å kunne søke der. Kort tid etter at LHC ble tatt i bruk ved tiårsskiftet kunne forskerne ved Cern bekrefte amerikanernes målinger, og samtidig utelukke hele det aktuelle området over 145 GeV. Det man stod igjen med var da et lite vindu mellom 115 GeV og 145 GeV, som ikke var utforsket. Om Higgs-bosonet eksisterte ville det med sikkerhet ligge her.

Den junidagen sommeren 2012 forskerne la frem resultatene sine, skulle det vise seg at to uavhengige eksperimenter ved Cern hadde funnet Higgs – og den lå mer eller mindre midt i det gjenstående spekteret. Det ene eksperimentet, CMS, fant den ved rett over 125 GeV, mens eksperimentet Atlas fant den rett over 126 GeV.

Både maskinen og eksperimentene som gjorde det mulig å oppdage Higgs er noe av det mest imponerende du kan se. Bli med over til neste side, så forklarer vi hvordan det fungerer »

LHC

Large Hadron Collider er en imponerende og massiv maskin. Skjult over hundre meter under bakken slynger en massivt tunell seg i en 27 kilometer lang sirkel – der den på fire punkter åpner seg opp i massive hulrom. Disse hulrommene huser gigantiske eksperimenter, eller detektorer om du vil, som den du ser på bildet til høyre.

Atlas sine massive magneter installeres, en av eksperimentene til Cern. Foto: Cern

Her nede under bakken ligger maskinen trygt. Den blir lite påvirket av stråling og bevegelser på jordoverflaten, men det betyr ikke at man ikke må ta hensyn til hver minste lille detalj av den grunn. Med en så lang tunell vil gravitasjonskraften fra månen alene få lengden til å endre seg med en hel millimeter i hver retning. Og når et tog passerer på overflaten, må man ta høyde for det.

Marginene er utrolig små, men maskinen er massiv. Cern har brukt over 30 år og rundt seks milliarder euro for å få den på plass, men lenge før LHC sendte sitt første proton rundt ringen i 2009 hadde andre partikkelakseleratorer gjort det samme. Amerikanerne hadde blant annet Tevatron, og Cern har selv hatt en annen akselerator – LEP – som ble lagt ned samtidig som konstruksjonen av LHC startet.

Disse maskinene har gitt oss mange svar i fysikkens verden, men ingen andre partikkelakseleratorer i vår historie kan måle seg med styrken til LHC.

Under kan du se en video som illustrerer anlegget – artikkelen fortsetter under filmen.

Video: Cern

Protonet får fart

En partikkelakselerator er akkurat det det høres ut som - en massiv maskin som setter fart på partikler, eller protonkjernen til hydrogenatomer i dette tilfellet. LHC er av den sirkulære typen, og i filmen til høyre kan du se hvordan den får fart på protonene.

Før protonene kan kollidere må forskerne nemlig gjøre to ting. Protonene må drives frem med lysets hastighet, og massen må økes betraktelig.

Det hele starter med at forskerne fyller helt vanlig hydrogen inn i et lite kammer. I dette kammeret blir hydrogenet strippet for elektroner, slik at det kun er protonkjernen som henger igjen. Flere protoner samles så i grupper, som slippes ut i en relativt liten lineær akselerator som heter Lineac 2. Det er her protonene for første gang får fart på seg, og på kort tid når protonene 33 prosent av lysets hastighet. Med den farten sendes de inn i den første sirkulære delen av akseleratoren – Proton Synchrotron Booster.

Partiklene slippes inn i denne akselerasjonsfasen i fire klumper, jevnt distribuert slik at de skal kollidere på jevne og forutsigbare tidspunkter senere. Her blir en pulserende ladning satt mot protonene hver gang de tar en runde i den 157 meter lange ringen, til de når en masse på 1,4 GeV og 91 prosent av lysets hastighet.

Derfra bærer det videre til en ny akselerator, Proton Synchrotron som dytter massen opp til 25 GeV. Protonene holder seg her i bare litt over ett sekund, men det er nok til å få hastigheten opp til 99,9 prosent av lysets hastighet.

Nå flyr protonene utrolig raskt, men med bare 25 GeV har de fortsatt litt lav masse. De blir derfor sendt inn i et fjerde akselerasjonssteg, i ringen Super Proton Synchrotron. Denne er 6,9 kilometer lang og lar protonene nå 450 GeV før de sendes ut i den virkelig store akseleratoren – selve hjertet av LCH.

Den blå ringen

I dette 27 kilometer lange røret færer to partikkelstråler med tilnærmet lysets hastighet. Foto: Cern

Det er denne 27 kilometer lange tunellen folk flest kjenner, og den ligger mellom 50 og 175 meter under bakken. Inne i den lange tunellen finner vi et kraftig, blått rør, og det er her det virkelig blir fart på protonene – med en masse som når 7 TeV, altså 7000 GeV.

Denne massive ringen lar forskerne akselerere protonene med en slik fart at de nesten når lysets hastighet – 99,9999991 prosent av den – et punkt som er det maksimale de kan nå før relativitetskreftene begynner å hindre protonet å gå raskere. Med denne hastigheten kan ett proton ta 11 245 runder i den massive ringen, hvert eneste sekund.

Disse store rørene, som strekker seg fra Genève i Sveits og langt inn i Frankrike, huser massive magneter som holder partiklene i en korrekt bane rundt sirkelens løp. LHC har hele 1600 superledende magneter, og de fleste av dem veier over 25 tonn. De er alle også fryktelig kalde, og holdes nedkjølt til 271 kuldegrader.

Selve rørene rommer to mindre rør innenfor magnetene, som er stedet partiklene faktisk ferdes. Disse små rørene holdes i et konstant vakuum slik at protonene kan fly stabilt og alene på vei mot frontkollisjonen, uten å bli forstyrret eller påvirket av andre partikler.

Gigantiske sensorer

CMS-eksperimentet da det ble bygget. Foto: Cern

Mens protonene suser rundt den lange banen, har forskerne fire punkter i den lange ringen der de kan få dem til å kollidere – såkalte kollisjonspunkter. Men det gir ikke stort mye mening å frontkollidere disse protonene og gjenskape forholdene under Big Bang, uten å se på hva som faktisk skjer.

Atlas-eksperimentet. Foto: Cern

Derfor huser disse kollisjonspunktene massive eksperimenter, eller detektorer om du vil. Det er fire stasjoner, og de heter LCHb, ALICE, CMS og ATLAS. I prinsippet er disse eksperimentene massive kameraer, som fanger opp hvert minste fnugg av partikler fra frontkollisjonen slik at forskere kan studere hendelsen i ettertid.

Sensorene er massive. Atlas er en av de største og måler 45 meter i høyden, har en diameter på 25 meter og veier hele 7000 tonn. Det må til for å huse rundt 150 millioner sensorer, men den nærmer seg likevel ikke CMS – som veier hele 12 500 tonn.

På disse punktene vil et nytt sett med magneter skviser de to protonstrålene samen, noe som får protonstrålene til å treffe hverandre midt på – 600 millioner ganger hvert eneste sekund.

CMS-eksperimentet. Foto: Cern

Det er restene fra disse eksplosjonene forskerne vil studere, for når protonene frontkolliderer med denne hastigheten blir de knust til fillebiter - og de minste byggesteinene skilles ut. Det er her man kan studere og se kvartene, glukonene og Higgs-bosonet.

Oppgraderes nå

CMS-eksperimentet åpnet opp for oppgradering. I midten ser du røret som transporterer protonene. Foto: Cern

Selv om forskerne ved hjelp av både Atlas og CMS først kunne si at de hadde sett Higgs-bosonet sommeren 2012, en observasjon som ble ytterligere forsterket i mars 2013, trenger de mer data. Det vil først dukke opp en gang i eller etter 2015, for akkurat nå ligger hele dette imponerende maskineriet i dvale. Over de neste årene skal den nemlig bli dobbelt så kraftig.

Både Cern og LHC handler nemlig om mye mer enn den episke jakten på Higgs-bosonet, og da trengs enda mer futt. LHC har i seg selv allerede gitt oss svar på noen av vitenskapens største spørsmål, men det vil komme mye mer.

I tillegg er den massive operasjonen som finner sted rundt LHC en imponerende skue, som det verdensomspennende datanettverket som daglig kverner igjennom petabyte på petabyte med rådata som LHC genererer.

For å få en dypere innsikt i arbeidet Cern gjør, og hvordan både LHC og datasystemet fungerer, skal Hardware.no om ikke lenge dra ned til Cern. Der skal vi snakke med både spesialister og forskere, bevitne de imponerende maskinene – og dele alt med dere.

Selv om LHC er massiv, er det ikke mindre imponerende å studere mindre ting:
Vi forteller deg i detalj hvordan et toppmoderne skjermkort fungerer »

Mer om
annonse