LHC Att Studera Universums Minsta Beståndsdelar i Världens största Experiment

LHC Att Studera Universums Minsta Beståndsdelar i Världens största Experiment 1 Introduktion = Vem är jag? = Vad ska jag prata om? = LHC, the Large Hadron Collider = Startade så smått för ett och ett havlt år sedan, men gick sönder redan efter tre veckor. Nu är den igång igen sedan november och sedan en månad är den uppe i ca. halva sin energi, vilket är nästan fyra gånger högre än något annat experiment som gjorts. = Det har varit ett visst mediaintresse. Dock var ibland media mer intresserade av vad som inte kommer att studeras i experimenten än det som vi faktiskt byggt dem för. För säkerhets skull kommer jag att prata om båda delar. = Först ska jag beskriva själva maskinen och varför den behöver vara så stor. Därefter ska jag försöka förklara vad en Higgspartikel är. Sen tänkte jag förklara varför det snackas så mycket om svarta hål. 1

Slutligen tänkte jag försöka övertyga er om att det faktiskt är vettigt att lägga ner en massa pengar på stora experiment som LHC. 2 Mikroskop = LHC är en maskin som accelererar protoner till väldigt höga energier. Protoner är små små partiklar som finns inuti alla atomkärnor. Protonerna accelereras i en tre mil lång tunnel på gränsen mellan Frankrike och Schweiz strax utanför Geneve. = Protonerna accelereras både moturs och medurs med hjälp av stora supraledande magneter. Vid fyra punkter tvingar man strålarna att kollidera. Det som kommer ut ur dessa kollisioner studeras sedan i gigantiska detektorer. = Varför gör man detta? Jo, i princip är LHC ett gigantiskt mikroskop i vilket vi kan förstora saker och ting en miljard miljard gånger. Ni har säkert hört talas om nanofysik. Nano är en miljarddel. LHC tittar på saker som är en miljard gånger mindre än så. 2

nano-nano. = Varför behöver allt vara så stort när vi ska titta på något så litet? = Normalt sett använder man mikroskop när man vill se något väldigt litet. Problemet är att mikroskop använder ljus, och ljus är en vågrörelse med en viss våglängd. Och det är svårt att se något som är mindre än den våglängden. = Sten och vasstrå i vatten. = Synligt ljus har en våglängd av sisådär 100 nm (hårstrå 10-100 µm), men vi är intresserade av saker som är mycket mindre. = Om vi ska se någon mindre måste vi använda något med mindre våglängd. Vi har alla hört talas om elektronmikroskop. Det fungerar ungefär som ett vanligt mikroskop med med elektroner istället för ljus. = Med det är ju jätte skillnad. Ljus är en vågrörelse och elektroner är partiklar. Nja, vad kvantmekaniken lärde oss i början av förra seklet är att små partiklar 3

och vågor i princip är samma sak. Det är bara två olika sätt att beskriva samma företeelse. = Ju högre energi en elektron har deso kortare våglängd har den och ju mindre saker kan man studera. Man kan se enstaka celler (ca 10µm). Cellen kärna är ca 1µm, DNA kedjor 0.1µm. Enstaka molekyler (1nm) enstaka atomer 0.1nm. Atomkärnor ca 0.01pm. Vi kan tillochmed se inuti protoner och studera avstånd mindre än 1fm. = Hur får vi då så hög energi hos elektronerna. Jo en elektrisk laddning accelereras om det rör sig i ett elektriskt fält. Och ju högre spänning deso högre energi. En volt ger en viss energi. Tusen volt ger tusen gånger högre energi. Med en en-volts elektron kan man se saker som är större än 1µm. I en gammal TV-apparat accelereras elektroner med några tusen volt, vips är vi nere på nanometernivå. = I LHC använder vi protoner istället för elektroner. Men det fungerar ungefär lika dant. Protonerna accelereras med 7 biljoner volt, vilket gör att vi är nere på nano-nano nivå. Det går inte att ha så hög spänning på en gång, istället åker protonerna runt och accelereras lite varje varv. Hastigheten på 4

protonerna blir tillslut ca 99.999999% av ljusfarten. = Protonerna frontalkolliderar med varandra, så på ett sätt använder vi den ena protonen för att titta innuti den andra, eller tvärt om. Eller rättare sagt, vi använder partiklarna inuti den ena protonen för att titta på partiklarna inuti den andra. Protoner består nämligen av mindre partiklar som vi kallar kvarkar och gluoner. = Faktum är att det inte blir några vanliga bilder. Istället blir det så höga energiconsentrationer i kollisionerna att energin omvandlas till massa och ett hundratal nya partiklar bildas och sprids åt alla håll och kanter. Det är dessa partiklar man registrerar i detektorerna, flera meter från kollisionspunkten. = Men det vi får ut är inget som liknar ett foto. Varje kollision ger upphov till en massa signaler, många megabyte, och det är mycket komplicerat att analysera dessa bilder för att förstå vad det är vi ser (flera gigabyte måste registreras per sekund) = Och det räcker inte med en bild. Vi måste ta miljontals bilder och analysera dem statistiskt. Dessutom är det så att protonerna väldigt sällan 5

träffar mitt i prick, oftast bara nuddar de varandra. Och även om de träffar mitt i prick, är det sällan kvarkarna träffar varandra mitt på, vilket vi behöver för att vi ska få de hårda smällar med tillräckligt hög energi för att vi ska kunna se det allra minsta. = LHC accelererar alltså protoner med hjälp av elektriska fält. Men det stora problemet är att få dem att gå runt i det tre mil långa strålröret, och sedan fokusera dem så väl att de kan träffa varandra mitt på. På tre mil måste vi sikta rätt på en mikrometer när. = Vi accelererar inte bara en proton i taget. Vi har flera biljoner protoner i korta pulser. Varje enskild proton väger bara 10 26 kg, men har så hög energi att det motsvarar rörelsemängden av en mygga. Tillsammans har de ungefär samma rörelsemängt som ett hangarfartyg. = Så för att styra dem behöver vi väldigt starka magneter (precis som gamla TV apparater behöver magneter för att styra elektronstrålen). LHC är den första maskin som är helt beroende av supraledande magneter. När vissa material blir tillräckligt nedkylda, förlorar de helt sin elektriska resistans, och vi kan gära en magnetspole med extremt högt magnetfält. LHC har 1200 20-meter långa supraledande magneter, 6

nedkylda till 291 grader, för att böja runt strålen. = Det som hände när LHC gick sönder var att en koppling mellan två sådana magneter var lite dåligt svetsad. När man ökade strömmen till max, blev det en liten resistans i kopplingen, vilket gjorde att det blev lite varmare, och efter ett tag blev det så varmt att kopplingen slutade vara supraledande, och då blev värmeutveckligen så hög att kopplingen förgasades i en stor explosion. Åtta magneter förstördes, hundra andra rubbas ur sitt läge med upp till en meter, sex ton flytande helium släpptes ut. Det tog ett år att laga och att röntga om alla svetsfogar. Men nu är LHC igång igen. Bara halva energin för säkerhets skull. 3 Vad är det vi vill titta på? Higgs! = Vad är det då vi vill hitta = Vi vill hitta en partikel som kallas Higgs. Och vad är det då för partikel? För att förstå det måste vi först titta på de teorier som beskriver de allra minsta 7

partiklarna som bygger upp Universum. = All materia består av elektroner och kvarkar. Kvarkar bygger upp protoner och neutroner som bygger upp atomkärnorna som tillsammans med elektroner bygger upp atomer som binds samman till molekyler som bygger upp allt vi ser och känner till. = Sen finns det krafter som verkar på dessa partiklar. = Det finns den starka kärnkraften som håller ihop protonerna och atomkärnan. Vi har den svaga kärnkraften som bl.a. ansvarar för att tunga atomkärnor sönderfaller till lättare. Sen finns det den elektro-magnetiska kraften som håller ihop atomen och ser till att atomer kan hållas ihop i molekyler. = Sen har vi, förstås, gravitationen som håller ihop jorden och solsystemet och galaxerna. Men den är oändligt mycket svagare än de andra krafterna på de avstånd vi kan se med LHC. = De teorier som beskriver den starka, svaga och elektromagnetiska krafterna kallas för standardmodellen. Den bygger på en matematisk 8

formulering som kallas för kvant-fält teori och utarbetades av Richard Feynman i mitten av förra seklet. I den teorin beskrivs både partiklar och vågrörelser med hjälp av fält. = Fält vet ni kanske vad det är. Ett elektriskt fält har ju ett värde i varju punkt i rummet. Ett magnetiskt fält har både ett värde och en riktning i varje punkt i rummet. De här fälten är mycket mer komplicerade. = De finns överallt - även i vakuum. Både de vanliga partiklarna och krafterna beskrivs i termer av fält. Vilket bl.a. gör att även krafterna kan representeras av partiklar (gluoner fotoner och W- och Z-bosoner. = Den kvant-fältteoretiska beskrivningen av elektromagnetismen är den mest exakta teori som någonsin har skapats. Vi kan beskriva processer med en precision på en miljarddels procent. Motsvarande beskrivning av den starka kraften är lite mer matematiskt komplicerad och inte så exakt, men den är också mycket framgångsrik. = Det enda problemet med kvantfältteorierna är att alla partiklar, speciellt de partiklar som representerar krafterna måste vara masslösa. Enligt Einsteins relativitetsteori betyder det att de alltid måste rusa 9

fram med ljusets hastighet. = I början av sjuttitalet insåg man att den elektriska och svaga kraften kunde beskrivas med samma fält, de är bara olika aspekter på samma kraft. Peter Higgs insåg då att om man införde ett nytt fält, Higgs fältet, kan man förklara varför en del partiklar ändå kan ha en massa. = Higgsfältet, som fyller hela universum, fungerar så att olika partiklar påverkas av det på olika sätt. En del partiklar, som fotonen - ljuspartikeln - inte bryr sig om fältet alls och far fram just med ljusets hastighet. De är masslösa. För andra partikel fungerar Higgsfältet som att gå igenom sirap. Det blir trögt, och det ser ut som om de har en stor massa. I kvantfältteoretisk mening är de fortfarande masslösa, men påverkan från Higgsfältet gör att de uppför sig precis som om de hade en massa. = Den här teorin fungerar fantastiskt bra. Det finns bara ett problem. Om det finns ett Higgsfält borde det också finnas en Higgspartikel. Den motsvaras av tryckvågor i higgsfältet. Men någon sådan partikel har vi inte hittat än. = Vi vet nu att om standardmodellen är korrekt måste higgs partikeln ha en massa så att det finns 10

tillräckligt med energi i kollisionerna vid LHC för att de ska bildas. Problemet är bara att den faller sönder nästan meddetsamma, och allt vi ser är en massa partiklar som bildas i sönderfallet tillsammans med alla andra partiklar som bildas i kollisionen. Dessutom kommer bildas en higgs bara i en bråkdel av kollisionerna, och det gäller verkligen att kvarkarna och gluonerna träffar mitt i prick. = så här ser en higgskollision ut = Då här ser en vanlig kollision ut. = Det är som att hitta en nål i en miljon höstackar. Faktum är att på Teoretisk fysik i Lund är vi nästan mest intresserade av att förstå hur höet ser ut. = Normalt sett är det ju inte svårt att skilja ett höstrå från en nål. Men om man tittar i en miljon höstackar kommer man att hitta höstrå som smulats sönder och man kan hitta tunna höfibrer som ser ut precis som nålar. En del kan nästan se lite silvriga ut... = Det är den starka kärnkraften som är ansvarig för 11

det mesta höet, och som jag sa tidigare är den inte så exakt. De vanligaste kollisionerna vet vi hur de ser ut, men vi måste också kunne beskriva de riktigt sällsynta där höet nästan ser ut som en higgs. = Den mest framgångsrika modellen för att beskriva höet heter Lundamodellen och är utvecklad här i Lund på teoretisk fysik. 4 Svarta Hål och andra vilda teorier = Hur var det då med de svarta hålen? Ni har kanske noterat skriverierna om risken att det skulle bildas ett svart hål i LHC som skulle växa och svälja hela jorden- = Ett svart hål bildas när en stjärna kollapsar under sin egen tyngdkraft vid en supernpva explosion. Gravitationen blir då så stor att inget förmår lämna stjärnan, inte ens ljus därav namnet. Men gravitationen gör att saker kan sugas in i hålet som därför kan växa och växa. Man tror att det i Vintergatans centrum finns ett super-massivt svart hål 12

som väger miljoner gånger mer än vår sol. = För att svarta hål ska kunna bildas krävs en oerhört stark gravitation. Och som jag sa är gravitationen oändligt svag på de avstånd vi studerar vid LHC. Så några svarta hål kan inte bildas. = Dessutom är det så att de kollisioner vi studerar vid LHC inte är unika. De händer ideligen när högenergetisk strålning från yttre rymden träffar vår atmosfär. Så om svarta hål kunde bildas skulle de ha gjort det för länge sedan. Och om de kunde svälja hela jorden, skulle vi helt enkelt inte finnas till. = So, what s the fus? = Jo det har framkastats teorier som föreslår att det kanske kunde finns fler dimensioner än de tre som vi är vana vid. Dessa måste i så fall vara så små att vi inte kan se dem, men om de är tillräckligt stora för att vi skulle kunna se dem vid LHC skulle det kunna betyda att gravitationen på de avstånden plötsligt blir väldigt stor och svarta hål skulle kunna bildas. = Vi har aldrig sett någonting som skulle stödja en sådan teori. Men även om det skulle stämma vet vi att ett sådant svart hål skulle falla sönder omedelbart, 13

innan det har en chans att växa och sluka jorden (Hawking). = OK, då kan man hitta på ännu en teori som skulle förhindra hålet att falla sönder. Och sen får man hitta på ännu en teori om varför jorden inte redan har försvunnit i et svart hål från kollisioner med kosmisk strålning. = Nej, det här är bara fria fantasier som inte har med verkligheten att göra. = Men varför hittar vi på sådana här teorier? Faktum är att jag själv har studerat teorierna med extra dimensioner. = Jo, även om vi gärna vill hitta en higgs vid LHC, skulle det vara ännu roligare om vi hittade något vi inte hade räknat med. Något som skulle ställa våra teorier på ända. = Hur ska vi då hitta något oväntat. Jag har ju precis förklarat hur svårt det är att hitta en higgs. Faktum är att efter LHC har startat på riktigt, kommer det att ta ett par år innan vi vet om det finns 14

en Higgspartikel eller inte. = Hur ska vi då kunna hitta något som vi inte vet var det är? Det är lite som när man har tappat nycklarna en natt, och man letar efter dem under gatlampan. Inte för att man tror att den finns där, men det är det enda stället där man skulle ha en chans att hitta den. Överallt annars är det mörkt. = Därför försöker vi sätta upp andra gatlyktor förutom higgslampan för att lysa upp ett större område. Sätter vi gör det på är att uppfinna mer eller mindre spekulativa teorier och så gör vi simuleringar för att se om vi skulle kunna se dem. Sen låter vi experimenten leta där också. Om de hittar något under svarta-hål-lampan är det inte troligt att det är just svarta hål de har hittat, men har i alla fall hittat något nytt. 5 Vad är nyttan? = Vad är det då för nytta med allt detta. Vem fan bryr sig om det finns en Higgs eller inte? = Är det verkligen värt att lägga ut tiotals miljarder kronor på ett sånt här experiment. Bara för att några tusen forskare ska ha något roligt att sysselsätta sig 15

med. = Ja, själv kan jag inte tänka mig något mer nyttigt än att lära sig om hur vår tillvaro fungerar och är uppbyggd. LHC är inte bara Higgs, det kommer också att lära oss mer om hur det gick till när universum skapades, i big bang. Varför det nästan bara finns materia i universum och nästan ingen antimateria. = Och vad består universum av egentligen? Bara 5% av energin i universum är materia och ljus som vi känner till. 25% är någon annan sorts materia som vi inte har någon aning om vad det är. Resten (70%) är en mystisk sort mörk energi som vi inte har en aning om var den kommer ifrån. Förhoppningsvis kan vi skapa lite mörk materia i LHC så att vi kan studera den. = Kanske kan vi också lära oss om krafter och materia egentligen bara är två olika aspekter på samma sak. = Det är ju den nyfikenheten som gör oss till människor. Alla andra djur på vår planet kämpar bara med att överleva. Men vi har utrustats med en hjärna som tillåter oss att ställa frågor om tillvaron. Ska vi då 16

inte försöka ge svar på dem också? = Men förutom att LHC är världens största och ett av de dyraste experimenten någonsin (bara maskinen kostar cs 30 miljarder kronor) så är det också världens mest lönsamma experiment. = I början av 90talet satt folk på CERN och funderade på hur man ska kunna samordna så många fysiker i så många länder. Hur ska de kunna utbyta information på ett vettigt sätt. Så man tog något som kallades för internet, som uppfanns av den amerikanska militären på 60talet för att skicka meddelanden och satte ihop det med ett sätt att dela filer samt ett textformat som hette hypertext. Och så fick man något som man kallade world wide web. Webben omsätter idag mycket mer än 30 miljarder om dagen. = Ett annat problem som sysselsatt forskarna är hur man ska lagra och analysera all data som kommer ut från CERN. Miljontals kollisioner i sekunden. Mycket gallras bort men upp till en Gigabyte måste lagras per sekund, ca en petabyte om året. Hur ska man kunna sprida denna information till alla involverade forskare, 17

hur ska man hitta datakraft för att analysera det. = The Grid. Ett intelligent sätt att dela på dataresurser som bland annat utvecklas av avdelningen för experimentell högenergifysik här i Lund. Är det lättare att transportera delar av datan till min dator och göra beräkningar här eller kan jag skicka mitt program till någon som redan har datan? Tekniken används redan inom andra vetenskapsområden. Dock ingen kommersiell användning. Än. = Även om man bara är intresserad av kortsiktig vinst, är som sagt LHC lönsamt. Men att spendera pengar för att utvidga vårt vetande kan aldrig vara fel, och framför allt är det oerhört spännande, och jag hoppas att jag ikväll lyckats förmedla en del av den spänningen. 18