Slik jobber fysikkens største megamaskin
Vi dro til Sveits og besøkte hele Large Hadron Collider.
Mates med Hydrogen
Denne saken ble først publisert på Hardware Ekstra 16. november, og er nå åpnet til glede for alle lesere. Bli Ekstra-medlem her »
Hardware.no/Genève: – Ny kunnskap er alltid nyttig for menneskeheten. Man vet ikke når man får nytte av den, men det stimulerer intellektet. Uten partikkelfysikken hadde vi for eksempel ikke hatt World Wide Web, og noe av utstyret fra detektorutviklingen brukes innen medisin. Men det er ikke slik at vi forventer at det vi finner ut av i dag, kan brukes i morgen, sier Jens Vigen, Scientific Information Officer ved CERN.
Vi har nettopp spurt ham om det er mulig å konkretisere en direkte nytteverdi ut av arbeidet rundt 10 000 forskere gjør på det enorme forskningsområdet til CERN, det europeiske senteret for atomforskning. I fjor hadde organisasjonen et budsjett på drøyt 8,4 milliarder kroner, og 210 millioner kom fra Norge. Budsjettet gir forskerne all den tiden og roen de trenger for å forske på noen av universets største mysterier.
– Det var vel Faraday som sa noe sånt om elektrisiteten da han skulle presentere den for finansministeren i Storbritannia, og de spurte hva man skulle bruke elektrisitet til. Han sa at «En dag sir, kan du skattlegge det», forteller Vigen.
Det er litt av poenget med CERN. 20 europeiske land står sammen for å fasilitere alle tenkelige – og utenkelige – fysikkeksperimenter. Selv ikke Hellas under sin tyngste økonomiske periode vurderte å kutte støtten til instituttet. Det handler om å ha muligheten til å lære mer, å øke den menneskelige viten, for selv om all forskningen kanskje ikke gir en direkte økonomisk nytteverdi i dag, vil mennesket som helhet i fremtiden tjene på det. I tillegg vil det alltid være en del teknologier utviklet for eksperimentene som kan komme til nytte på helt andre områder – som for eksempel utviklingen av World Wide Web.
Vi sitter i biblioteket til CERN, og drøyt 100 meter under føttene våre står en av de mest imponerende maskinene mennesket har bygget. 30 år og 31 milliarder kroner gikk med for å lage en 27 kilometer lang partikkelakselerator, der protoner og blykjerner holdt i vakuum flyr i sirkel med tilnærmet lysets hastighet – for så å frontkollidere inne i massive detektorer. Maskinen heter Large Hadron Collider, LHC, og over to dager fikk vi muligheten til å besøke alle leddene av maskineriet, og muligheten til å snakke med forskerne som daglig jobber med de imponerende maskinene.
Se bildene: Her skjer verdens største fysikkeksperiment »
Fra en helt vanlig gassflaske
Grunnen til at man frontkolliderer protonstråler i LHC er for å forstå mer av hva som skjedde det første sekundet etter Big Bang, sekundet som skulle forme spillereglene for alt liv de neste 13,7 milliarder årene. For å gjenskape Big Bang-forholdene må forskerne gjøre to ting med protonene: Protonene må drives frem med tilnærmet lysets hastighet, og massen må økes betraktelig. Det hele starter med en maskin som heter Linac – en lineær akselerator.
Linac 2 og Linac 3 er de to maskinene som mater LHC med henholdsvis protoner fra hydrogen og blykjerner for ionefysikk, samtidig som de er det første steget der protonene eller blykjerne får fart på seg. Linac 2 er maskinen som brukes mest, da det er den eneste som kan dra i gang protonene man forsker mest på i dag.
Det hele starter med en helt vanlig gassflaske som er koblet på maskinen, og via en helt vanlig ventil slipper forskerne inn en liten dose – typisk mellom 10 og 30 atomer – av gassen inn i det som kalles proton-kilden. Dette er et lite kammer der hydrogenet står i ro mellom en anode og en katode. Her fyres det av en spenningspuls på hele 10 kilovolt over 20 mikrosekunder. Den høye spenningen skaper en strøm fra katoden og over til anoden, og i mellom ligger hydrogen-atomene som øyeblikkelig mister elektronene sine. Når elektronene er skilt vekk fra hydrogenet, sitter man igjen med et positivt ladd hydrogenproton og elektroner.
Miksen slippes så inn i et nytt steg til en spenningspuls på 90 kilovolt som gir protonene en hastighet på rundt 4000 km/t, samtidig som elektronene skytes vekk og ut av maskinen. Denne prosessen repeteres over et drøyt sekund, frem til man har en samlet stråle som inneholder 1014 protoner. Det høres kanskje mye ut, men i løpet av et helt år går det bare med 3,3 milligram hydrogen.
Resultatet er uansett en ren stråle av positivt ladde protoner. At alle er positive betyr også at de prøver å spre seg, noe som ikke er ideelt for en akselerator. Allerede i kildekammeret begynner man å fokusere strålen slik at protonene samler seg i klumper. Selve protonkilden og det første akselerasjonssteget er bare noen meter langt, men ved hjelp av kraftige kvadrupolmagneter over mange titalls meter, som utgjør majoriteten av maskinen, får man fokusert og akselerert protonene. Disse magnetene er de oransje rørene du ser på bildene, og over lengden til maskinen akselereres klasen med protoner opp til nesten 95 000 km/t. Samtidig har energinivået økt med fem prosent, til 50 MeV.
Linac blir noe radioaktiv under bruk, noe som er grunnen til at det er sperret inne bak store, gule dører. Skal forskerne inn for å gjøre vedlikehold må de gå igjennom en spesiell sluse som tar dem inn til den radioaktive sonen. Denne slusen fungerer slik at hver arbeider må ta med seg én av de gule nøklene fra panelet, gå inn i slusen, snakke med kontrollrommet for å få bekreftet at maskinen er slått av, få øyet skannet og vekten sjekket, før de slippes inn. Vektmålingen gjøres for å veie eventuelle verktøy som blir med inn. Veier ikke en person det samme når han eller hun går ut igjen, vet man at noe er glemt igjen inne ved maskinen. Når arbeidet er overstått settes den gule nøkkelen tilbake i døren, og om alle nøklene ikke er på plass nekter Linac rett og slett å starte.
– Linac 2 har kjørt siden 1978, så den er ganske gammel, men den er veldig pålitelig. 99 prosent av tiden fungerer den, så den er på mange måter en av de beste maskinene har, forteller én av forskerne som arbeider med maskinen. Om to til tre år skal Linac 2 erstattes av en helt ny lineær akselerator, som heter Linac 4.
Flere akseleratorer
Med en hastighet på i underkant av 100 000 km/t og et energinivå på 50 MeV skyter Linac 2 protonene inn i det neste steget av maskineriet, som er den første sirkulære delen av akseleratoren – Proton Synchrotron Booster. Her deles protonstrålen inn i fire klumper som flyr rundt i fire uavhengige ringer med en diameter på 25 meter.
Her blir en pulserende ladning satt mot protonene hver gang de tar en runde i ringen, til de når et energinivå på 1,4 GeV og 91 prosent av lysets hastighet. Boosteren ble bygget allerede på 70-tallet, men er selv i dag mer enn kapabel nok til å levere strålen til LHC. I likhet med veldig mye av utstyret på CERN står funksjon i sentrum, og det har rett og slett ikke vært nødvendig å bytte ut hele denne boosteren – selv 40 år senere gjør den en like god jobb som før, takket være et par teknologiske oppgraderinger.
Eldst er den imidlertid ikke. Det neste leddet i kjeden er en maskin som heter Proton Synchrotron, som er nok en sirkulær akselerator. Den ble bygget på 50-tallet, men lever i beste velgående selv i dag. Majoriteten av maskineriet er imidlertid byttet ut, men både magnetene og bygningene rundt er de samme gamle. Etter at protonene fikk god fart i boosteren, har denne maskinen som jobb å dra protonene det «lille» stykket opp fra 91 til 99,9 prosent av lysets hastighet. Samtidig økes energinivået fra 1,4 GeV til 25 GeV, mens protonene flyr rundt i den to kilometer lange ringen.
Så langt er vi fortsatt over bakkenivå. Linac, Boosteren og Proton Synchrotron ligger alle over bakken, og om du skulle besøke CERN en dag vil du se en sirkulær forhøyning i terrenget mot vest, akkurat på grensen mellom Frankrike og Sveits.
Etter et drøyt sekund i Proton Synchrotron bærer det imidlertid under bakken, til den 6,9 kilometer lange Super Proton Synchrotron. Her pumpes protonene med energi frem til de når 450 GeV, før de sendes ut hver sin vei i den virkelig store akseleratoren – selve hjertet av LCH.
Supermagneter styrer strålen
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 protonene virkelig blir store, i dag kan de nå et energinivå på opptil 7 TeV, altså 7000 GeV, men med noen oppgraderinger skal det være mulig å presse dem til 14 TeV om få år. Med økt energinivå øker sannsynligheten for å lage partiklene man er ute etter. Statistisk sett vil det finnes ett Higgs-boson annenhver time når maskinen jobber for fullt i dag, med 600 millioner kollisjoner i sekundet, men med økt energinivå øker sannsynligheten for hvor ofte de vil oppstå betraktelig.
Protonene holder altså allerede nesten lysets hastighet, så jobben til LHC er primært å øke energinivået betraktelig, men den bidrar samtidig til å øke hastigheten fra 99,9 prosent til 99,9999991 prosent av lysets hastighet. Protonene tar drøyt 11 000 runder her hvert eneste sekund, og for hver runde får protonene et lite støt som øker energinivået frem til det til slutt når 7 TeV. I hvert sitt løp suser protonene frem henholdsvis med og mot klokken, slik at de senere kan bringes på kollisjonskurs.
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.
De blå rørene som utgjør LHC strekker seg fra Genève i Sveits og langt inn i Frankrike, og huser massive magneter som holder partiklene i en korrekt bane rundt sirkelens løp. LHC har hele 1600 superledende magneter, fordelt på 1200 dipolmagneter og nesten 400 kvadrupolmagneter, og de fleste av dem veier over 25 tonn. De holdes alle sammen nedkjølt til 271 kuldegrader ved hjelp av flytende hydrogen. 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 rundt i LHC, uten å bli forstyrret eller påvirket av andre partikler.
Se fotoessayet: Slik lages superledende magneter »
De kraftige superledende magnetene bøyer strålen med protoner slik at de kan ferdes uforstyrret gjennom den lange sirkelen. Etter å ha surret rundt i akseleratoren i omtrent en halvtime har protonene vokst nok til at energinivået er så høyt at de kan frontkollideres i spektakulære detektorer. Bli med over til neste side »
Enorme detektorer
Enorme detektorer
Partikkelkollisjonene skjer på fire punkter langs den 27 kilometer lange ringen. Her står massive eksperimenter, eller detektorer om du vil, nøye plassert for å fange opp hver minste lille detalj fra kollisjonen. I prinsippet er disse eksperimentene massive kameraer, som ser alle partiklene og hvordan disse oppfører seg etter frontkollisjonen, slik at forskere kan studere hendelsen i ettertid.
Sensorene er massive. ATLAS, som du ser på bildene her, 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, sensorer som er bygget opp lagvis rundt kollisjonspunktet. Akkurat som i en løk ligger det lag på lag med elektronisk utstyr, der hvert lag har en bestemt funksjon eller oppgave for å måle spesielle egenskaper ved partiklene. Mye av utstyret er også laget på en slik måte at det vil detektere ting man ikke aner at eksisterer i dag – noe som er mye av hensikten med ATLAS.
I sentrum av detektoren sitter det et instrument som måler momentet til hver partikkel, en detektor som igjen er omkranset av et kalorimeter – en enhet som måler energien til hver partikkel. Utover dette har ATLAS en serie med muon-detektorer som kranser rundt hele eksperimentet, for å nevne noe
Tvers gjennom hele maskinen står det montert gigantiske magneter, som bøyer banen til partiklene etter kollisjonen. Hvordan partiklene oppfører seg når de flyr gjennom dette magnetfeltet er alene viktig informasjon for forskerne, for uten magnetfeltet ville partiklene bare flydd rett frem – noe som er vanskelig å måle. Ved å bøye to like partikler i hver sin retning, får man ut mye mer informasjon om dem, forteller én av forskerne som viste oss rundt i detektoren.
At detektorene må være så store som de er, når de skal måle noe så smått som protoner, skyldes rett og slett det høye energinivået i strålene. Når hver kollisjon finner sted genererer det en haug med partikler som flyr i alle retninger, og for at ingenting skal unnslippe må den rett og slett være stor.
Forskerne som jobber med detektoren her drøyt 100 meter under bakken, kan fortelle at det er lett å bli retningsforvirret. For å holde styr på hvilken side av detektoren som peker i hvilken retning av LHC, er hver ende merket henholdsvis A-siden og C-siden. At det ikke finnes noen B-side skyldes rett og slett at bokstavene peker til punkter på overflaten som alle kjenner til. A-siden peker mot flyplassen i Genève (Airport), mens C-siden peker mot Charly's – stampuben til mange av CERN-forskerne.
Eget kontrollsenter
På fransk side av grensen, i Prévessin, ligger Cern Control Center. Fra dette rommet styres hele akseleratorkjeden, fra hydrogenet slippes inn i Linac til detektorene fanger opp partikkelkollisjonene, samt en rekke andre eksperimenter hos CERN. Rommet er delt inn i fire store kontrollsoner, der forskere som gjør lignende jobber sitter sammen. Noen jobber med å styre protonstrålen, andre har ansvar for Synchrotron-ene, mens andre igjen sørger for de massive kryogeniske installasjonene fungerer som de skal.
Det er her man blant annet synkroniserer de to protonstrålene i LHC, slik at de kan bringes på kollisjonskurs ved hjelp av de snaut 400 kvadrupolmagnetene.
Kontrollsenteret er ikke bare en kontrollsentral for LHC, arbeiderne her jobber også mye med å koordinere proton-resursene til CERN. Synchrotron-akseleratorene som forsyner LHC med protoner skal nemlig også levere protonstråler til mange andre eksperimenter rundt om kring på CERNs massive område. Med noen tastetrykk i kontrollsenteret kan én av de mange tusen strålene som skytes ut av Linac dirigeres over til andre eksperimenter – eksperimenter som ofte bare handler om å skyte protonstrålen rett på en gjenstand for testing.
Totalt sett har kontrollrommet 39 forskjellige stasjoner, og siden det ble startet opp i 2006 har det vært et sentrum for feiringen av de mange gjennombruddene CERN har gjort. Langs veggene står det champagneflasker på rekke og rad, og hver og én av dem er dedisert til en spesiell hendelse.
– Champagnefeiring er en tradisjon i fysikkmiljøet. Her startet det vel med feiringer rundt LEP-akseleratoren på starten av 90-tallet. Med gode resultater og ekstraordinære resultater begynte fysikerne å ta med champagne til dette kontrollsenteret, og slik begynte en tradisjon som vi liker veldig godt. De siste flaskene er fra Higgs-oppdagelsen, og flaskene blir stående her i kronologisk rekkefølge. De forteller historien, sier Rossano Giachino, sjefingeniøren for LHC, til Hardware.no.
Enorme mengder data
Med flere hundre millioner partikkelkollisjoner i LHC hvert eneste sekund, og gigantiske detektorer som fanger opp egenskapene til hver minste partikkel, genereres det enorme mengder data. Disse dataene skal filtreres, lagres og analyseres – og de siste to punktene er en massiv utfordring å få til.
Når LHC jobber på full spiker kan det samle seg opp over 30 petabyte med verdifull rådata i året – og alt dette skal analyseres ned til minste detalj. Datamengende det er snakk om her, og prosessorkraften som må til for å analysere det, er så av en skala det er vanskelig å fatte. Men takket være et intrikat nettverk av flere hundre regnesenteret rundt om på hele jordkloden, har CERN fått det til.
Hver enkelt detektor har et eget datasenter som filtrerer vekk støy og data fra ufullstendige kollisjoner, datasett som åpenbart ikke er av interesse for videre forskningen. De resterende dataene sendes så til et eget regnesenter hos CERN som er avbildet over, et Tier 0-senter som står i sentrum av et verdensomspennende nettverk av flere hundre datasentre.
Dette datasenteret er i seg selv en imponerende skue, og vi har skrevet et en egen artikkel om det: Se senteret som håndterer 100 millioner gigabyte data »
Bli med over på neste side for å se flere bilder fra akseleratoren »
Bilder fra LHC
Bli med over på neste side, for å se bilder fra ATLAS-detektoren »
