Mens vi venter på virkeligheten

Et artistisk bearbeidet fotografi av partikler i høy fart - tatt i the Big European Bubble Chamber i Cern.

For tiden er det stille i partikkelakseleratoren ved CERN.
Fysikerne sitter på kontorene sine. De regner på teorier og funderer på hvilke av naturens ørsmå krumspring som vil åpenbare seg når den nye og mye kraftigere akseleratoren står klar i 2007.

Hva er hele verden bygget opp av? Hva er egentlig den minste byggesteinen? For å finne ut av det, setter fysikerne seg først ned bak skrivebordet. Der sitter de godt og lenge. De vet mye fra før. De har formler, lover, teorier og antakelser som har vist seg å stemme. Ut fra dette prøver de å få det store, overgripende regnestykket til å gå opp; regnestykket som en gang kan samle alle delteorier i en altomfattende teori.

Etter en stund har de en ny hypotese. Tiden er inne for lakmustesten; en bekreftelse fra virkeligheten. Og for å avdekke naturens irrganger blant atomer og elektroner, trenger de partikkelakseleratorer, svære anlegg som kan bevege partikler i en sinnssykt høy fart. Nå bygges det en ny og kraftigere slik ved CERN i Sveits.

Med lysets hastighet
Den nye partikkelakseleratoren blir, som den gamle, 27 kilometer i omkrets. Den skal bygges i den samme tunnelen, som går i en sirkel 100 meter under bakken, på grensen mellom Sveits og Frankrike rett utenfor Genève. Når partiklene suser rundt i denne, legger de bak seg omtrent 11 000 runder i sekundet. Det er tilnærmet lyshastighet. Så, på spesielle punkter rettes partikkelstrålene mot hverandre og kolliderer. En kollisjon i så stor hastighet utløser enorme energimengder. Ørsmå partikler oppstår og spruter utover.

Men nå er det altså intet som raser rundt i tunnelen rundt i CERN-anlegget. Dette er teoretikerne sin storhetstid. Den gamle akseleratoren hadde på mange måter gjort jobben sin. Den kunne akselerere partikler opp i lyshastighet, javisst, men det var en begrensning på hvor tunge partiklene kunne være.

De kunne ikke være tyngre enn et elektron, og det er mange partikler som er tyngre enn det. Et proton, for eksempel. Den nye akseleratoren skal etter planen få protoner opp i lyshastighet. Da vil kollisjonene få mye høyere energi, og det blir mye større sjanse for at nye partikler vil dukke opp. Nye og uprøvde teorier kan da bli bekreftet - eller avkreftet.

Ufattelig smått
Partikkelfysikernes oppgave nummer én er å finne ut hva alt er laget av. Finne de minste byggesteinene. Det minste teoretikerne har regnet seg fram til så langt, er det såkalte "strengenivået". Dette er ufattelig lite. Om vi forstørrer en "streng" slik at den blir så stor som et atom, vil atomet med samme forstørrelse bli like stort som 6000 ganger avstanden fra Jorda til sola.

Hvis det er slik at "strengenivået" er byggesteinen for alt vi kjenner, er det et merkelig materiale vi er bygget opp av. Ifølge teorien representerer strengenivået både de fundamentale byggesteinene og naturkreftene. Strengene beveger seg ellers "i et mikrounivers med ni romlige dimensjoner". Håpet er at den nye akseleratoren ved CERN vil fortelle oss mer om strengenivået - hvis det i det hele tatt finnes.

Usynlig stoff
Fysikerne håper også å finne såkalt supersymmetrisk materie med den nye akseleratoren. Teorien om supersymmetri er et forsøk på å lage en felles teori for alle de fundamentale partiklene og kreftene, unntatt gravitasjonskraften. Dette har ikke blitt gjort før. Supersymmetri er ifølge fysikerne en "vakker" konstruksjon som gir svar på mange teoretiske spørsmål. Teorien krever imidlertid at det finnes en parallell verden av partikler - de supersymmetriske partiklene.

Denne teorien kommer astrofysikerne i møte. Gjeldende teorier sier nemlig at det "må finnes" en type materie som hindrer universet å ekspandere raskere enn det gjør. I flere tiår har astrofysikerne prøvd å finne ut hva slags stoff dette kan være. En av de mest populære teoriene her er den om såkalt "mørk materie". Dette er et stoff som ingen kan se, som ikke reagerer med noe, men som likevel har en gravitasjonskraft som er med på å holde universet på plass. Teoriene om "mørk materie" stemmer godt med partikkelfysikernes antagelser om supersymmetrisk materie. Forskerne ved CERN har stor tro på å finne slik materie i den nye akseleratoren, og at de dermed vil bringe verden nærmere en forståelse av hva universet er laget av.

Iskaldt vakuum
For å få partiklene opp mot lyshastighet i akseleratoren, må alle de 27 kilometrene i ringen kjøles ned til rundt -272Þ Celsius. I tillegg må det være absolutt vakuum i midten der partiklene skal rase rundt. NTNUs Institutt for klima og kuldeteknikk står sentralt i å utvikle kjølesystemene til anlegget. Drivstoffet i nedkjølingen er flytende helium.
Fysikerne ved CERN og ellers i verden ser med spenning fram mot 2007. Da blir det klart hvem som kan reise seg opp og rope "Eureka!", og hvem som må finne seg i å få sine teorier overprøvd av virkeligheten.

Av Even Gran

Kilder ved CERN: Egil Lillestøl, Christine Sutton, Steinar Stapnes

Kontakt: Professor Kåre Olaussen,
Institutt for fysikk, NTNU
Tlf: 73 59 36 52. E-post: Kare.Olaussen@phys.ntnu.no

Verdens dyreste måne- og togdetektor
I 1991 klarte CERN å måle akseleratorens omkrets med en nøyaktighet på mindre enn en tiendedels millimeter. Da oppdaget de noe merkelig. To ganger i døgnet varierte den 27 kilometer lange rundturen med under én millimeter. Etter en stund fant de ut at det var månens gravitasjon som var synderen. "Tidejord" er nemlig like vanlig som tidevann. Vannet er bare litt mer tøyelig.
Forskerne oppdaget også andre forandringer til bestemte tider hvert døgn.

Dette var en gåte helt til et klokt hode fant på å sjekke rutetidene for tog til og fra Genève. Da så man at forstyrrelsene på akseleratoren falt sammen med hurtigtogavgangene fra Genève til Paris. Det viste seg at de elektriske utladningene fra toget gikk rett inn i partikkelakseleratoren, som deretter ble kalt "verdens dyreste togdetektor" på folkemunne.

Hvor lite er egentlig et atom?
Hvis alle atomene i en klinkekule hadde vært like store som et sandkorn, ville du få nok sand til å dekke hele Norge med et lag på flere hundre meter.

Fakta om Cern
CERN står for "Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire", og er verdens største laboratorium for forskning på partikkelfysikk. CERN ble grunnlagt i 1954 og er et samarbeid mellom 20 medlemsstater, deriblant Norge. Alle disse statene bevilger hvert år en fast sum til CERN. Norge bidrar med rundt 100 millioner i året. CERN har ca. 3000 ansatte.

Hvert år tar mer enn 100 tekniske studenter hovedoppgaven sin ved CERN. Resultatene av disse oppgavene brukes nesten uten unntak som byggebrikker for at den nye akseleratoren og de tilhørende detektorene skal fungere optimalt når alt står klart i 2007. CERN tilbyr gode stipendordninger. Interesserte studenter kan ta kontakt med Jens.Vigen@cern.ch