En maskine til at løse universets gåder

Publiceret Juli 2007

Artiklen vandt 1. præmien ved Herbert Prisen 2007.

Verdens største partikelaccelerator er i øjeblikket ved at blive bygget i Schweiz. Når den til næste vinter er helt færdig, håber forskerne på at kunne få svar på mange spørgsmål om universets opbygning.

Der bliver bygget på livet løs: I en kilometerlang tunnel, langt under jorden, har arbejdere været i gang de sidste 6 år. Kæmpe kraner løfter magneter på størrelse med parcelhuse på plads. Kølesystemer, der kan skabe temperaturer lavere end det ydre rum, bliver installeret og sat i gang. Og computersystemer, der er større og stærkere end noget tidligere set, styrer det hele. ”Det er en kæmpe operation – ufatteligt stort og dyrt. Alle de europæiske lande har været med til at få det op at stå,” fortæller Niels Kjær Nielsen fra Syddansk Universitet. Når man til næste vinter er færdig, håber man på at kunne besvare de store spørgsmål: Hvor kommer vi fra? Hvad er vi lavet af? Og hvorfor fungerer naturen, som den gør?

Computersimulering af dannelse af Higgspartikel i CERNs nye partikelaccelerator
Computersimulering af dannelse af Higgspartikel i CERNs nye partikelaccelerator, LHC. Illustration © CERN

Naturens hemmeligheder

Vi befinder os lidt udenfor Geneve i Schweiz, hvor Det Europæiske Center for Højenergifysik, CERN, har til huse. Siden 2001 har man her arbejdet på at skabe verdens største partikelaccelerator – the Large Hadron Collider, LHC. Denne maskine er de-signet til at hjælpe forskere med at fravriste naturen nogle af dens bedst gemte hemmeligheder. De store forhold er nødvendige for at frembringe de energier, der skal til for at genskabe forholdene fra universets skabelse. Dengang var universet meget lille, varmt og energifyldt. Ved at imitere dette håber forskerne at kunne lære, hvordan de grundlæggende dele af naturen hænger sammen.

Byggestenene bag alting

Alt på jorden er opbygget af atomer. Atomerne er igen opbygget af endnu mindre partikler, de såkaldte elementarpartikler. Elektroner er elementarpartikler; andre kan for eksempel være de mere eksotisk klingende neutrinoer og kvarker. Fysikerne på CERN undersøger disse elementarpartikler og de kræfter, de påvirker hinanden med. ”Denne type forskning er grundforskning og svarer lidt til at lære alfabetet at kende. Hvis man vil kunne læse naturen, skal man først kende bogstaverne,” forklarer Niels Kjær Nielsen. Han er højenergifysiker og har arbejdet indenfor området de sidste 40 år. For fysikere som ham er elementarpartikler de byggesten i naturen, der svarer til bogstaverne i det skrevne sprog. Fysikere har allerede teorier om elementarpartiklerne. Den vigtigste af disse kaldes Standardmodellen, og den er gradvist blevet opbygget gennem sidste halvdel af det tyvende århundrede. Standardmodellen kan for eksempel bruges til at forudsige visse elementarpartiklers masser, og dens forudsigelser har vist sig at stemme fantastisk godt overens med det, man kan måle eksperimentelt. Alligevel er der mange ting omkring disse allermindste partikler, som man endnu ikke kan forklare, og det er nogle af de spørgsmål, som partikelacceleratoren, LHC, skal forsøge at skaffe svar på.

En partikel, ingen har set

Den nye accelerator skal undersøge to vigtige ting. For det første er der en del af Standardmodellen, der stadig mangler at blive eftervist. Det handler om elementarpartiklernes masser – man har en teori om, hvorfor partiklerne vejer, hvad de gør, men man er ikke helt sikker på, om den er korrekt. Denne teori om masse inkluderer en bestemt partikel, kaldet en Higgspartikel, opkaldt efter den britiske fysiker, Peter Higgs (f. 1929), der første gang fremsatte teorien. Ingen har imidlertid endnu set en Higgspartikel. Fysikerne regner med, at Higgspartiklen er meget tung, og der skal derfor meget energi til at skabe den. Med LHC’en bliver der mulighed for at nå op på tilstrækkeligt høje energier og derved eftervise Higgs’ teori. ”Man har ledt efter denne partikel i de sidste 30 år,” fortæller Niels Kjær Nielsen. ”Så det er selvfølgelig spændende, om man nu endelig finder den.”

Fakta

Elementarpartikler Atomer er opbygget af elektroner, der cirkler om en kerne. Kernen består af protoner og neutroner, og disse er igen opbygget af kvarker. Kvarkerne holdes sammen i kernen af den såkaldte stærke kernekraft, som er en af de fire kræfter, der findes i naturen. De tre andre kræfter er den elektromagnetiske kraft, den svage kernekraft og tyngdekraften.

Resultater kan give ny forståelse

For det andet vil man forsøge at lære noget om alt det, der ligger ud over Standardmodellen. Forskerne allerede nu klar over, at Standardmodellen ikke kan forklare alt, der kan observeres i naturen. For eksempel er der et mærkeligt fænomen som antistof. Antistof er et slags negativ af almindeligt stof – det opfører sig præcist modsat det stof, som verden omkring os er opbygget af. Enhver, der har læst romanen ”Engle og Dæmoner” af Dan Brown, ved også, at hvis antistof og almindeligt stof bliver ført sammen, så ophæver det hinanden, samtidig med at det udsender enorme mængder energi. Hvis vi følger Standardmodellen, så skulle der ved uni

versets skabelse have været dannet lige store mængder stof og antistof. Dette passer naturligvis ikke: Så ville de to typer stof jo have ophævet hinanden, og vi ville aldrig være blevet til. Spørgsmålet om, hvor al antistoffet er blevet af, er et af de mange, LHC’en forhåbentlig kan være med til at besvare.

Sorte huller i lommeformat

Forskerne har mange andre, mere og mindre særprægede, ideer til ting, der kan undersøges med den nye accelerator. En af disse er bittesmå sorte huller. Sorte huller kendes ellers normalt fra astronomien: Det er objekter, der er så tunge, at selv lys ikke kan undslippe dem. Visse fysikere – blandt andet den anerkendte engelske astrofysiker Steven Hawkins – tror, at man i LHC’en vil kunne danne meget små sorte huller. De vil ikke være farlige (man kunne ellers frygte, at de ville suge alting i deres nærhed til sig), fordi de på grund af deres størrelse vil være utroligt varme. Den høje temperatur vil få dem til at fordampe i løbet af ganske kort tid og derved forsvinde helt igen. At fysikerne i laboratoriet direkte vil kunne få lov til at observe-re et så eksotisk objekt som et sort hul, der ellers kun kan findes i det ydre rum, er en helt speciel chance.

Fakta:The Large Hadron Collider

LHC’en består af en 27 km lang cirkelformet tunnel. Små pakker af protoner vil blive sendt rundt i tunnelen, og herefter kollidere frontalt. Når partiklerne bevæger sig med tophastigheden, vil de på ét sekund kunne nå 11.000 gange rundt i acceleratoren. Hvis al energien i partiklerne i acceleratoren i stedet blev sendt ind i en betonklods, ville sammenstødet give lige så meget effekt som halvdelen af verdens el-kraftværker.

Dyrt projekt

Tunnelen, som den nye accelerator bliver bygget i, stod der i forvejen, som et levn fra en tidligere accelerator. Alligevel løber prisen for nybyggeriet op i over 3 mia. euro. Hertil kommer udgifterne til de måleinstrumenter, der skal omgive acceleratoren – de er faktisk dyrere end selve acceleratoren – og udgifter til computere. De første prøvekørsler sker efter planen i slutningen af 2007, men der har været adskillige forsinkelser undervejs, og det er muligt, at startdatoen må rykkes endnu en gang. Alligevel venter fysikere over hele kloden spændt på resultaterne. Med Niels Kjær Nielsens ord: ”I de seneste år, efterhånden som vi har fået udforsket mere og mere af universet, er vores forståelsesgrad faktisk faldet – der er dukket flere og flere huller op i vores viden. Men med LHC’en er der håb om, at vi kan få fyldt nogle af hullerne ud.”