Gigantiske maskiner — ørsmå partikler

TENK deg å krysse grensen mellom Frankrike og Sveits flere tusen ganger i løpet av noen sekunder! ’Det er da umulig,’ sier du kanskje. Men det er nettopp det milliarder av ørsmå partikler gjør. De farer av sted inne i en kjempemessig metallring som ligger dypt under jorden i et felleseuropeisk laboratorium ikke langt fra den internasjonale lufthavnen i Genève. Der er svære maskiner som kalles partikkelakseleratorer, til hjelp for fysikerne på et forskningsfelt som lenge har fengslet menneskene, nemlig utforskningen av materiens hemmeligheter og av de lover som styrer universet.

Mennesket gløtter inn i mikrokosmos

I tusener av år har menneskene drømt om å finne ut hva materien består av. En gang trodde man at atomet var materiens minste byggestein, og at det derfor var udelelig. Men i begynnelsen av vårt århundre oppdaget forskerne at atomet består av elektroner som sirkler rundt en kjerne. Man fant senere ut at det kan deles opp enda mer, og nå går en teori ut på at all materie i universet er bygd opp av bare tre grunnleggende byggesteiner. Disse byggesteinene er elektronet og to forskjellige slags kvarker; resten av materien er bare tomrom.

Når arkeologer finner en gammel mur, undersøker de ikke bare de steinene den består av, men også fugemassen som holder dem sammen. Våre dagers fysikere undersøker på lignende måte ikke bare selve partiklene, men også de kreftene som virker mellom dem. Forskerne forklarer at to partikler kan knyttes sammen ved at det blir utvekslet en tredje partikkel mellom dem. Dette kan sammenlignes med to stykker som er med i et ballspill og sender ballen til hverandre. Og akkurat som det brukes forskjellige slags baller i forskjellige slags spill, for eksempel fotball, basketball og tennis, har hver av disse kreftene sin egen kraftbærende partikkel (eller et sett av slike partikler). For å kunne studere disse to typene av partikler (som kan sammenlignes med steiner og fugemasse eller spillere og baller) må man ha akseleratorer.

Uten akseleratorer ville fysikerne i dag være like hjelpeløse som botanikere uten forstørrelsesglass eller astronomer uten teleskoper. Ved CERN (det europeiske laboratorium for partikkelfysikk), som ligger på begge sider av grensen mellom Frankrike og Sveits, finnes det flere slike akseleratorer som er forbundet med hverandre. Kanskje vi bedre kan forstå hva som foregår inne i en av disse maskinene, hvis vi gjør oss tusen billioner ganger mindre. Nå kan vi slå følge med vår høyst uvanlige guide.

En reise gjennom en akselerators indre

Hallo! Jeg er bare en av de milliarder av protoner som dere skal reise sammen med gjennom SPS eller superprotonsynkrotronen, som er CERNs største akselerator for øyeblikket. Prøv å henge med, er dere snille, for vi kommer til å tilbakelegge over en million kilometer på under fem sekunder.

Før vi kommer inn i selve SPS, må vi forakselereres i mindre maskiner. Da kommer vi opp i over 99 prosent av lysets hastighet i tomt rom, som er 300 000 kilometer i sekundet, og som vi ikke kan overskride. SPS vil ikke øke hastigheten vår med mer enn 0,4 prosent. Massen vår vil derimot øke kraftig, slik at energien stiger fra 10 GeV til 400 GeV, og det er dette fysikerne er ute etter.a SPS er altså ikke en akselerator i bokstavelig forstand, men er mer som en slynge som slynges rundt med konstant hastighet mens steinene i den etter hvert blir tyngre og tyngre.

Vi har nå kommet inn i selve strålerøret i SPS. Hele ringen, som har en omkrets på nesten sju kilometer, ligger i en underjordisk, flere meter bred tunnel hvor teknikerne kan farte omkring på sykkel når akseleratoren ikke er i drift.

Så snart vi har kommet inn i det ringformede røret, blir vi tatt hånd om av 744 avbøyningsmagneter. Disse kraftige elektromagnetene holder oss i en nesten sirkulær bane. Hadde det ikke vært for dem, ville sentrifugalkraften ha sendt oss rett mot de tykke veggene som absorberer den skadelige strålingen vi avgir. Ettersom vi har lett for å spre oss, må vi bli presset sammen til en tett, smal stråle av et annet system av 216 fokuseringsmagneter. De kan sammenlignes med fyrlyktlinser som samler lyset i en smal, langtrekkende stråle.

Reisen vår er muliggjort ved at det er blitt laget et svært høyt vakuum i røret. På den måten er de fleste av de partiklene vi ellers ville ha kollidert med, blitt fjernet. Vi blir tilført mer energi for hver runde idet vi farer gjennom 20 meter lange seksjoner hvor vi kommer inn i et høyfrekvent elektrisk felt. Noe av energien i den elektromagnetiske bølgen som dannes der, blir overført til oss, nesten som når en surfer skyter fart på grunn av kreftene i den havbølgen han rir på.

Det vil nå ta oss bare et drøyt halvsekund å forlate akseleratoren i bunter på ti billioner. Når vi har kommet ut av sirkelbanen, kommer vi til å bombardere et mål som kan være en metallplate, en gass eller en væske, alt etter hva slags eksperiment det er snakk om. Noe av den energien som blir frigjort når protonene kolliderer med målpartiklene, blir til materie, men vanligvis bare for et forsvinnende lite øyeblikk. Dette er så å si det motsatte av det som skjer i en atomreaktor, hvor materie omdannes til energi. Store datamaskiner som står i forbindelse med kompliserte detektorer, analyserer så de partiklene som blir dannet ved kollisjonen.

Nå er tiden inne til at jeg må si adjø. Men hvis dere har noen minutter til overs, kan dere få kikke på et enda mer spennende eksperiment.

Partikkelstråler som kolliderer

Protonene er nå blitt knust mot et stasjonært mål. Men mye av energien deres gikk til spille i og med at den ble overført til de målpartiklene som protonene traff. Det er grunnen til at protoner med en energi på 400 GeV bare frigjør 28 GeV til danning av nye partikler når de støter sammen med andre protoner i et stasjonært mål.

Forskerne undersøkte problemet. Med tanke på å få større energimengder til rådighet fant de på å la to protonstråler kollidere. I SPS-akseleratoren blir det arrangert en frontkollisjon mellom en stråle av antiprotoner (partikler med like stor masse som protoner, men med motsatt elektrisk ladning) og en stråle av protoner som sirkler i motsatt retning. Når et proton og et antiproton med en energi på 270 GeV hver kolliderer, blir praktisk talt hele energimengden på 540 GeV disponibel for danning av mye tyngre partikler.

I 1983 hadde fysikerne ved CERN løst problemene i forbindelse med fremstilling, oppsamling og akselerering av antiprotoner. Da klarte de å bevise eksistensen av noen svært ustabile partikler som kalles W- og Z-bosoner. I likhet med de fleste andre partiklene som dannes i akseleratorene, lever ikke disse bosonene særlig lenge — bare en snau billiondel av et billiondels sekund. Deretter går de over til energi, eller de blir til andre partikler. Z-bosonene er 100 ganger tyngre enn protoner og er de tyngste partiklene en hittil har funnet.

Stadig større maskiner

Jakten på nye, tyngre partikler pågår verden over. En leter særlig etter kraftbærende partikler, de «ballene» vi nevnte til å begynne med. Derfor trengs det bedre, enda kraftigere maskiner. I 1983 begynte byggingen av en ny ring ved CERN i nærheten av Genève. Den kalles LEP (Large Electrone-Positron, stor elektron-positron[akselerator]). Den får en omkrets på 27 kilometer og skal brukes til å akselerere elektroner og positroner (antistoffmotstykkene til elektronene). Disse «kanonkulene» burde kunne bli et enda bedre redskap for fysikerne i deres studium av materien.

«Men hvilken praktisk betydning har alle disse maskinene?» spør du kanskje. Det kommer riktignok ikke så mange biprodukter som resultat av dem, bortsett fra enkelte mindre akseleratorer som brukes på sykehus for å produsere partikler som kan ødelegge kreftceller, eller for å fremstille sporingsisotoper. Men fysikerne ønsker likevel å finne mer uttømmende svar på spørsmålet: Hva består materien av? Så de vil sikkert fortsette å gløtte inn i mikrokosmos, paradoksalt nok ved hjelp av stadig større akseleratorer.

[Fotnote]

[Ramme på side 25]

Hva er de forskjellige partiklene?

Elektroner: Partikler med en negativ elektrisk ladning som tilsvarer protonets, og med en masse som er nesten 2000 ganger mindre. Elektronene sirkler rundt atomkjernen, og antall elektroner er det samme som antall protoner.

Protoner: Partikler med en positiv elektrisk ladning som tilsvarer elektronets. Alle atomkjerner har protoner i seg, men hydrogenkjernen har bare ett.

Nøytroner: Partikler med nesten samme masse som protonet, men uten elektrisk ladning. Alle atomkjerner består av nøytroner i tillegg til protoner, bortsett fra hydrogenkjernen.

Kvarker: Partikler som en mener er de grunnleggende byggesteinene i protonene og nøytronene. Kvarker eksisterer ikke isolert, men bare sammen med andre kvarker. De har alle en elektrisk ladning, som er enten en tredjedel eller to tredjedeler av elektronets ladning.

Bosoner: Partikler som overfører krefter mellom andre elementærpartikler. Et boson som forlater én partikkel, blir absorbert av en annen.

Energi blir til materie

Hastighet gir energi: Du blir ikke skadet hvis en tennisball faller ned på foten din, men hvis den kommer med stor fart og treffer deg på nesen, kan det gjøre riktig vondt. Hvorfor? Fordi hastighet gir ballen energi, og denne energien blir utløst når ballen treffer noe. Dette er nettopp hovedhensikten med en akselerator: å gi partikler høy energi ved å akselerere dem til store hastigheter.

Konsentrert energi blir til materie: Omforming av energi til materie er ikke et spørsmål om mengde, men om konsentrasjon. Hvis mange nok partikler som har høy energi og beveger seg hurtig, er konsentrert i et lite volum, kan de danne nye partikler (med andre ord materie) ved å kollidere med en eller annen gjenstand eller med hverandre.

Materie, men i ørsmå mengder: De kraftkrevende akseleratorene produserer ikke mye materie. Ifølge en offisiell CERN-publikasjon «er det ikke blitt dannet mer enn et milligram materie i løpet av de 25 årene det er blitt utført eksperimenter der».

[Ramme på side 26]

Oppskrift på en ku

«Det er ikke vanskelig å lage kuer. Du trenger bare en stor mengde grunnbestanddeler — u- og d-kvarker og elektroner. Først må du lage protoner. Da trenger du to u-kvarker og én d-kvark. Så lager du noen nøytroner ved å bruke én u-kvark og to d-kvarker. Så setter du sammen atomene dine. Til en ku trenger du hovedsakelig karbon-, oksygen-, hydrogen- og nitrogenatomer . . . Oppskriften på et hydrogenatom er ganske grei; hydrogen består av et proton med et elektron rundt. Karbon er mer komplisert . . .

Nå må atomene samles til molekyler. Vann er lett å lage; det er bare å blande et oksygenatom og to hydrogenatomer. Men til andre molekyler trenger du hundrevis eller kanskje tusenvis av atomer. Bruk til slutt disse atomene til å lage noen titalls milliarder levende celler og sett dem pent sammen til en ku.

Dette er den oppskriften CERN gir. Den er helt korrekt dersom du tar i betraktning tidsfaktoren og de mystiske konstruksjonstegningene som gjorde at en ku kunne bli til.» — L’Express, et fransk ukeskrift.

Men hvem kan ha laget disse «mystiske konstruksjonstegningene»? Ingen annen enn et Vesen med en overlegen intelligens, ham Bibelen omtaler som Skaperen, Jehova Gud. — Salme 104: 24.

[Illustrasjon/bilder]

(Se den trykte publikasjonen)

LEP

SPS

site Prévessin

site Meyrin

FRANCE

SUISSE

[Rettigheter]

Foto: CERN, Genève