17. juni 2021

Bigbang & CERN

Kerne- og Partikelfysik:

Hvad er Universets byggestene og hvad er de fundamentale naturlove for disse? Det er hvad eksperimenterne ved CERN forsøger at afdække. Og resultatet er det 21. århundredes periodiske system og den fabelagtigt præcise Standardmodel. Den forudsagde blandt andet Higgs-partiklen, der blev opdaget i 2012. Men under overfladen lurer flere og flere ting, som ikke passer sammen, blandt andet eksistensen af mørkt stof.

BigBang
Universet blev skabt for 13.7 milliarder år siden i en gigantisk eksplosion vi kalder Big Bang. Illustration: NASA

De fundamentale love fra kerne- og partikelfysik har afgjort, hvordan Universet ser ud i dag. Vi ved, hvordan Universet har udviklet sig fra et splitsekund efter Big Bang, og vi forstår, hvorfor der er de grundstoffer i Universet i de mængder, som vi ser i dag.

Men det er os en gåde, hvorfor der overhovedet er stof I Universet, og hvilke partikler, som udgør det mystiske “mørke stof”. Gåder blandt mange, som er det er det 21. århundredes fysiks udfordring at give svar på, og som vi ved Niels Bohr Institutet forsker i.

I det tidlige Univers lige efter Big Bang var der ingen stjerner eller galakser. Der var i stedet en masse partikler og deres tilhørende anti-partikler skabt (parvis) ud af energi. Efterhånden som Universet udvidede sig, kølede det af, og partikler og anti-partikler mødtes og ”annihilerede” (dvs. udslettede hinanden igen) og blev til lys.

Dette lys kan vi se i dag, og det giver os en masse information om Universet. Faktisk er det en af hovedårsagerne til, at vi tror på Big Bang teorien!

Således har partikelfysikken indflydelse på kosmologi. Men vi ved ikke, hvordan det lykkedes for partiklerne at ”vinde over” anti-partiklerne, således at der overhovedet er noget som helst stof i Universet i dag. Og det lader også til, at der blev skabt mere end bare de partikler (og anti-partikler), som vi kender i dag.

Når vi kigger ud i Universet kan vi nemlig se tyngdekraft fra noget, som ikke lyser, og som vi derfor ved IKKE er lavet af de partikler, som vi kender!

Niels Bohr, Kvantemekanikken og partikelfysik

I 1922 modtog Niels Bohr Nobelprisen for sin atom-model, der som den første korrekt beskrev atomernes verden. Samtidig udviklede kvantemekanikken sig, og man begyndte at forstå, at den klassiske mekanik havde fundamentale mangler.

Det blev startskuddet til jagten på de fundamentale partikler og love – en jagt, som foreløbigt er kulmineret med CERN’s Large Hadron Collider (LHC), som med sine 27km er verdens både største og kraftigste accelerator (se nedenfor). Niels Bohr var blandt grundlæggerne af CERN, der i dag er et centrum for kerne- og partikelfysik.

Hvis man bliver ved med at Zoome ind på en ting (og faktisk også luft), så når man på et tidspunkt ned til atomer. De er ca. 0.1 milliardtedel af en meter I radius. Dette skriver man også som 10^-10 meter, altså 0.0000000001 meter.

Atomer består af en atomkerne med elektroner omkring. Atomkerner er typisk 0.000000000000005 meter, dvs. 5 x 10^-15m, altså meget mindre end atomet selv. Så hvis kernen var på størrelse med en tennisbold, så ville elektronerne være flere kilometer væk!

Atomkerner består igen af protoner og neutroner (som har en størrelse på ca. 10^-15m), og disse består igen af tre kvarker.

Dette giver ikke blot byggestenenes skala, men man kan jo med rette spørge, hvor store elektroner og kvarker så er og hvad de er lavet af. Svaret er, at det ved vi ikke. For os er de fundamentale, og vi kan ikke dele dem yderligere.

Vi har forsøgt at se, om de har nogen struktur i sig, men ned til 10^-19m kan vi ikke se nogen, og vi kan ikke ”se” mere præcist.

Standardmodellen
De fundamentale partikler i Standardmodellen. Til venstre ses de 12 partikler (kvarker og leptoner), som kan betragtes som ”stofpartikler”, mens de 5 partikler til højre er ”kraftpartikler”, som gør at partiklerne interagerer med hinanden.

Er der så flere fundamentale partikler end elektroner og så de kvarker, som protoner og neutroner er lavet af? Svaret er ja, og i figuren nedenfor er vist, hvad man med rette kan kalde for det 21. århundredes periodiske system.

Der er i alt seks kvarker og også seks partikler, som er af samme type som elektronen (leptoner hedder de).

Desuden er der de partikler, som ligger til grund for de fundamentale kræfter: Elektromagnetisme, den stærke kernekraft og den svage kernekraft (tyngdekraften er ikke en del af partikelfysik, og det er lidt af et mysterium, hvordan den fungerer på disse skalaer!).

Sidst men ikke mindst er der Higgs-partiklen, som er lidt speciel, men som i korte træk tillader de øvrige partikler at have masse. Og på samme måde som det klassiske (20. århundredes) periodiske system, så viser det de fundamentale byggesten og deres indbyrdes relationer, så godt som man nu kan vise det i et simpelt skema.

Partiklerne og de love de adlyder kaldes for (partikelfysikkens) standardmodel. Den giver nogle helt vildt præcise forudsigelser, som viser sig at passe med de mest præcise eksperimenter vi kan foretage.

CERN

CERN er en forkortelse for Conseil Européen pour la Researche Nucléaire - det europæiske center for kerneforskning - og betegner et af verdens største forskningsanlæg.

CERN ligger på grænsen mellem Schweiz og Frankrig, tæt ved den schweiziske by Géneve, og består af over hundrede forskellige eksperimenter.

CERN
Luftfoto af CERN. Forrest ses noget af Geneve med lufthavnen, i baggrunden Jurabjergene. Diameteren af LHC ringen er omkring 9 km (CERN).

CERN er et enormt internationalt tiltag. Der er 23 medlemslande, men mange flere lande er tilknyttet i større eller mindre grad. I alt er over 10.000 kerne- og partikelfysikere tilknyttet CERN, hvilket svarer til halvdelen af alle kerne- og partikelfysikere i verden. Dette gør CERN til verdens førende laboratorium indenfor højenergifysik.

 

I CERN’s LHC-accelerator kan man accelerere protoner (og tungere atomkerner) op til meget tæt på lysets hastighed, og støde dem sammen for på den måde at lære om naturens mindste byggesten.

I sammenstødet bliver protonernes energi brugt til at danne nye partikler, som beskrevet af Einsteins formel E = m c^2. Hvis man har nok energi (E), så kan man ”veksle” det til masse (m), og vekselkursen er lysets hastighed i anden.

Ved at gøre dette har man kunnet producere alle de partikler, som vi i dag kender i Standardmodellen. Men der kan også produceres andre partikler (hvis de findes!), og på den måde kan man undersøge, om der eksisterer andre partikler.

Large Hadron Collider (LHC)
Et foto fra tunnelen, der indeholder CERN’s LHC accelerator. De blå magneter holder protonerne i en cirkelbevægelse, mens andre sektioner accelererer dem en smule. Efter mange omløb når de deres maksimale energi, som svarer til at accelerere dem i et felt fra 0 Volt til 6500 milliarder Volt.

Der er fire steder på den store LHC-ring, hvor man støder partikler sammen, og hvor kollisionspunktet er omgivet af en stor detektor/eksperiment.

Der er to generelle eksperimenter, som hedder ATLAS og CMS (som opdagede Higgs-partiklen) og to mere specifikke eksperimenter, som hedder ALICE (som fokuserer på sammenstød mellem tunge atomkerner) og LHCb (der kigger på b-kvarker). Niels Bohr Institutet deltager i både ATLAS og ALICE eksperimenterne.

Kollisionerne er ikke simple at analysere, idet der kommer utroligt mange partikler ud i de komplicerede detektorer. Men det er stadig de fundamentale fysiklove, som kan bruges til at finde ud af, hvor meget momentum en partikel har, når den bøjer så og så meget i detektorernes magnetfelt.

Analysen af data bliver i flere tilfælde gjort ved hjælp af Machine Learning (ML). Man træner en ML algoritme på simuleret data til at genkende et bestemt signal, og så bruger man det bagefter på virkelig data.

Eksempel på kollisioner mellem to partikler
Eksempel på kollision mellem to partikler som set af ATLAS detektoren. Partiklerne flyver ud fra kollisionspunktet og afsætter signaler i detektoren, hvorefter man forsøger at ”rekonstruere”, hvilke partikler bevægede sig hvor hen. I eksemplet i figuren er vist resultatet af en simuleret Higgs-partikel, som henfalder til to elektroner (de to grønne energiafsætninger, idet elektroner bliver stoppet i detektoren) og to myoner (de to blå linjer, som går ud af billedet, idet myoner flyver ud gennem detektoren).

I den tid CERN har eksisteret, har laboratoriet stået bag mange af de store opdagelser inden for moderne fysik. For at nævne et par, så var det her Higgs partiklen blev opdaget i 2012, men også W og Z partiklerne i 1983, som er ansvarlige for den svage kernekraft. Desuden er det på CERN, at man er lykkedes med at producere de første anti-atomer (anti-brint, i 1995).

Sidst men ikke mindst, så er det faktisk på CERN at WorldWideWeb blev opfundet, så konceptet med websider og browsere via et netværk kommer faktisk fra CERN!

Hvad fremtidens opdagelser byder på, ved vi af gode grunde ikke, men det er vist et rimeligt bud, at vi ikke har hørt det sidste fra CERN. Jagten på partiklerne bag dette ”mørke stof” er i fuld gang.

Peter Higgs ved CMS-detektoren

Peter Higgs modtog sammen med Francois Englert i 2013 Nobelprisen i fysik som anerkendelse af, at de i 1964 forudsagde eksistensen af Higgs-partiklen. Her ses han foran en af de store detektorer ved LHC (CERN).

 

Karrieremuligheder: Hvad kan jeg blive som fysiker?

Læs om Fysikuddannelsen på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet og Fysikuddannelsens opbygning.

Se også: