Jättemaskiner — pyttesmå partiklar

TÄNK dig att korsa gränsen mellan Frankrike och Schweiz tusentals gånger på några få sekunder! ”Omöjligt”, kanske du säger. Men det är precis vad miljarder nya ”gränsbor” gör. De är pyttesmå partiklar som rusar fram inne i ett jättestort rör av metall som går i en cirkel djupt nere i marken vid ett europeiskt laboratorium inte långt från Genèves internationella flygplats. Där får fysikerna hjälp av jättestora maskiner som kallas partikelacceleratorer inom ett forskningsområde som länge har fängslat människan: materians hemlighet och lagarna som styr universum.

En blick in i det extremt lilla

I tusentals år har människan drömt om att upptäcka materians grundläggande beståndsdelar. I början av 1900-talet upptäckte forskarna att atomen, som en gång troddes vara den minsta beståndsdelen i materian och därför odelbar, utgörs av elektroner som kretsar kring en kärna. Man fann senare att uppsplittringen går ännu längre, och en teori säger nu att all materia i universum utgörs av bara tre grundläggande byggstenar — elektroner och två typer av kvarkar — vilka befinner sig i tomrum.

När arkeologer upptäcker en gammal mur analyserar de inte bara stenarna, utan också bruket som håller dem samman. På liknande sätt analyserar nutida fysiker de krafter som verkar mellan partiklarna. Forskare menar att två partiklar kan bindas ihop genom att utväxla en tredje partikel, ungefär som två bollspelare bollar en boll mellan sig. Och precis som det används olika bollar i olika bollspel, som fotboll, basketboll och tennis, har varje kraft sin egen kraftförmedlande partikel (eller uppsättning partiklar). Vid studium av dessa två typer av partiklar (som kan liknas vid stenar och murbruk eller spelare och bollar) måste man använda acceleratorer.

Utan acceleratorer skulle nutida fysiker vara lika hjälplösa som botaniker utan förstoringsglas eller astronomer utan teleskop. Vid CERN:s (Europeiska kärnforskningsorganisationen) forskningsanläggning i Genève finns det flera sammankopplade acceleratorer som korsar den fransk-schweiziska gränsen. Vi kanske bättre kan förstå vad som händer inne i en av dessa maskiner om vi gör oss en miljon miljard gånger mindre! Då kan vi följa med vår ovanlige guide.

En resa i en accelerators inre

Hej! Jag är bara en av de miljarder protoner som följer dig på din resa i SPS (superprotonsynkrotronen), CERN:s för närvarande största accelerator. Försök att hinna med, för vi kommer att färdas mer än en miljon kilometer på mindre än fem sekunder!

Innan vi kommer in i SPS måste vi genomgå en inledande acceleration i mindre maskiner för att nå mer än 99 procent av ljusets hastighet i vakuum (300.000 kilometer per sekund), en hastighet som vi inte kan överskrida. SPS kommer att öka vår hastighet med bara 0,4 procent. Å andra sidan kommer vår massa att öka kraftigt, vilket resulterar i en energiökning från 10 GeV till 400 GeVa, och det är det resultatet fysiker är ute efter.

Vi har nu kommit in i strålröret i SPS. Hela det cirkulära röret, som går i en bana som är nästan sju kilometer i omkrets, inryms i en underjordisk tunnel som är flera meter i genomskärning, där teknikerna kan ta sig fram på cykel när acceleratorn inte är i drift.

Så snart vi kommer in i röret tas vi om hand av 744 kraftiga elektromagneter som hjälper oss att hålla en nästan helt cirkulär bana. Annars skulle vi slungas rätt in i de tjocka väggarna som absorberar den farliga strålning vi avger. Eftersom vi har en benägenhet att sprida oss, måste vi samlas ihop till en kraftig, smal stråle av ett annat system av 216 fokuserande magneter. De kan liknas vid linserna i en fyr som koncentrerar ljuset till en smal, långtgående stråle.

För att vår färd inte skall hindras har så gott som absolut vakuum åstadkommits i röret, och på så sätt elimineras de flesta av de partiklar vi annars skulle ha kolliderat med. För varje varv tillförs vi ytterligare energi när vi rusar igenom 20 meter långa raka sektioner med ett högfrekvent elektriskt fält. Den elektromagnetiska våg som alstras där ger oss något av sin energi, ungefär som en havsvåg in mot land ger fart åt surfaren som rider på den.

Det tar oss nu lite mer än en halv sekund att lämna acceleratorn, vilket vi gör i knippen på tio tusen miljarder protoner. Vi kommer att avledas från vår bana och bombardera ett mål, som kan vara en metallplatta, en gas eller en vätska, beroende på vilken typ av experiment det är fråga om. En del av den energi som frigörs vid kollisionen mellan protonerna och målpartiklarna kommer att omvandlas till materia, vanligen för ett ytterst kort ögonblick. Det är precis motsatsen till vad som händer i en kärnreaktor, där materia omvandlas till energi. Kraftfulla datorer som är kopplade till avancerade detektorer analyserar sedan partiklar som framställs vid kollisionen.

Det är dags för mig att ta adjö. Men om du har några minuter över väntar dig ett ännu mer spännande experiment.

Maskiner för kollision av strålar

De protoner som just lämnade acceleratorn har nu kolliderat med ett fast mål. Mycket av deras energi gick dock förlorad när den överfördes till målpartiklarna som stöttes i väg när de träffades. Det är därför protoner med en energi på 400 GeV som kolliderar med andra protoner i stillastående mål bara avger en energimängd på 28 GeV som kan ge upphov till nya partiklar.

Forskare har undersökt problemet. För att kunna öka den tillgängliga nyttiga energin har de kommit på idén att låta strålar kollidera. I SPS får en stråle av antiprotoner (partiklar med samma massa som protoner men med motsatt elektrisk laddning) frontalkrocka med en stråle protoner som går i motsatt riktning. När en proton och en antiproton med en energi på 270 GeV vardera kolliderar blir nästan hela energimängden på 540 GeV tillgänglig för framställning av mycket tyngre partiklar.

Sedan fysikerna vid CERN hade lyckats bemästra problemen med att framställa, spara och accelerera antiprotoner, kunde de år 1983 bevisa existensen av två mycket instabila partiklar, två bosoner som kallas W och Z. Likt de flesta partiklar som alstras i dessa acceleratorer har dessa partiklar inte någon lång livstid — mindre än en biljondel av en biljondels sekund — innan de upplöses i form av energi eller omvandlas till andra partiklar. Z-partiklarna, som är ett hundra gånger tyngre än protonerna, är de massivaste partiklar som hittills har upptäckts.

Allt större maskiner

Jakten på nya allt massivare partiklar, i synnerhet de kraftförmedlande partiklarna (de ”bollar” som vi nämnde i början av artikeln), är i full gång jorden runt. Följaktligen krävs det bättre och ännu kraftfullare maskiner. År 1983 påbörjades således byggandet av en ny ring vid CERN:s anläggning i närheten av Genève. Man kallar den LEP (Large Electron-Positron Collider, stor elektron-positron-kolliderare), en maskin som är 27 kilometer i omkrets och som är konstruerad för att accelerera elektroner och positroner (antimaterians motsvarighet till elektroner). De här ”kanonkulorna” i form av dessa nya partiklar bör förse fysikerna med ett nytt redskap, en finare lansett så att säga, för att dissekera materian.

”Men vad har man för nytta av alla dessa maskiner?” kanske du frågar. Det är sant att den tekniska nyttan tycks vara begränsad, bortsett från några små acceleratorer som används på sjukhus för att framställa partiklar som kan förstöra cancerceller eller fungera som radioaktiva spårämnen. Men fysiker vill fortfarande finna ett bättre svar på frågan: Vad är materia? De kommer därför utan tvivel att fortsätta att kika in i det extremt lillas värld och paradoxalt nog göra det med hjälp av allt större acceleratorer.

[Fotnot]

[Ruta på sidan 25]

Vad är de för något?

Elektroner: Partiklar med en negativ elektrisk laddning som är lika stor som protonens men med en massa som är nästan 2.000 gånger mindre. En elektron rör sig kring kärnan i en atom, och antalet elektroner motsvarar antalet protoner.

Protoner: Partiklar med en positiv elektrisk laddning som är lika stor som elektronens. En beståndsdel i varje atomkärna. Kärnan i väteatomen har en proton.

Neutroner: Partiklar med ungefär samma massa som protonen men utan elektrisk laddning. Den andra beståndsdelen i kärnan hos alla atomer utom väteatomen.

Kvarkar: Partiklar som tros vara de grundläggande beståndsdelarna hos protoner och neutroner. Kvarkar existerar inte ensamma, utan alltid i kombination med andra kvarkar. Var och en har en elektrisk laddning som antingen är en tredjedel eller två tredjedelar av elektronens laddning.

Bosoner: Partiklar som överför krafter mellan andra elementarpartiklar. En boson som lämnar en partikel absorberas av en annan partikel.

Energi omvandlas till materia

Hastighet och energi: En tennisboll som faller på din fot skadar dig inte. Men om den kommer med hög fart och träffar dig på näsan kan du bli svårt skadad. Varför det? Därför att ju snabbare bollen rör sig, desto större rörelseenergi har den, och denna energi frigörs vid kollisionen med näsan. Däri ligger det främsta syftet med en accelerator: att ge partiklar hög energi genom att accelerera upp dem i höga hastigheter.

Koncentrerad energi omvandlas till materia: Omvandling av energi till materia är inte en fråga om kvantitet, utan om koncentration. Om du har ett tillräckligt antal partiklar med stor rörelseenergi, dvs. hastighet, koncentrerade till en liten volym, kan de frambringa nya partiklar (materia) genom att kollidera med något föremål eller med varandra.

Materia, ja, men i små mängder: Energislukande acceleratorer framställer inte mycket materia. Enligt en officiell CERN-publikation ”har inte mer än ett milligram materia framställts under 25 års experimenterande”.

[Ruta/Bild på sidan 26]

Recept på en ko

”Det är inte svårt att göra en ko. Du behöver bara en stor mängd av de grundläggande beståndsdelarna — u- och d-kvarkar och elektroner. Börja med att göra protonerna. För en proton behöver du två u-kvarkar och en d-kvark. Gör sedan några neutroner av en u-kvark och två d-kvarkar. Nu kan du sätta ihop dina atomer. Till en ko behövs det främst kol-, syre-, väte- och kväveatomer. ... Receptet på en väteatom är mycket enkelt: en proton med en elektron som kretsar kring den. Kol är lite mer komplicerat. ...

Nu måste atomerna sättas samman till molekyler. Det är lätt att göra vatten. Blanda en syreatom och två väteatomer. Men för andra molekyler behövs det hundratals och till och med tusentals atomer. Använd slutligen dessa atomer för att bygga några tiotals miljarder levande celler och sätt sedan noggrant ihop dem till en ko.

Detta recept tillhandahålls av CERN. Det är helt korrekt om du tar med tidsfaktorn och den mystiska konstruktionsritning som har lett till framställandet av det som vi kallar en ko.” — L’Express, fransk veckotidskrift.

Men vem skulle ha kunnat göra denna ”mystiska konstruktionsritning”? Bara en överlägset intelligent varelse, den som bibeln identifierar som Skaparen, Jehova Gud. — Psalm 104:24.

[Bilder/Diagram på sidan 24]

(För formaterad text, se publikationen)

LEP

SÅS

site Prévessin

site Meyrin

FRANCE

SUISSE

[Bildkälla]

Foto: CERN, Genève