[[http://bionyt.s807.sureserver.com/partikelfysik.asp#Kan man beskrive naturkræfterne som manifestationer af én naturkraft?|Kan man beskrive naturkræfterne som manifestationer af én naturkraft?]]
Supersymmetri løser mange teoretiske problemer ved partikelfysikkens Standardmodel; såsom spørgsmålet: "Lader det sig gøre at opskrive Standardmodellens naturkræfter som forskellige manifestationer af én kraft, hvorved naturkræfterne kan forenes på en naturlig måde?"

Det er et nemlig problem i Standardmodellen, at naturkræfterne ikke umiddelbart ser ud til at kunne forenes . Hvis man betragter styrken af de tre kendte naturkræfter (dvs. henholdsvis elektromagnetismen, den stærke og den svage kernekraft) ses det, at de nærmer sig hinanden ved højere energier . Imidlertid mødes de aldrig . Alle målinger indikerer, at de "skyder forbi" hinanden ved høje energier [kilde].

Det ville være mere naturligt, om disse tre kendte naturkræfter kunne beskrives som lav-energi-manifestationer af én naturkraft ved høj energi. Partikelfysikerne har i de sidste 20-30 år brugt mange kræfter på at finde netop sådan en forenet teori [kilde].

Standardmodellen er opskrevet som en matematisk teori, der er funderet i nogle parametre og antagelser om "gauge-symmetrier" . Massen af Higgs-partiklen bestemmes af disse parametre . Massen af Higgs-partiklen bliver derved en sum af mange positive tal, der kan være helt op til Planck-skalaen (1019 GeV) samt ét stort negativt tal . Imidlertid skal Higgs-massen ligge under 1 TeV [kilde].

Der er tilsyneladende et problem med supersymmetri-princippet , idet alle de nye partikler ifølge supersymmetri-princippet åbner op for nye henfaldskanaler [kilde].

Heriblandt skulle protonen lige pludselig kunne henfalde. At Supersymmetri-princippet medfører muligheden for, at protonen kan blive ustabil, er et problem . Det er et problem, fordi man endnu har til gode at observere et protonhenfald på trods af, at man i næsten 100 år har forsket i partikelfysik . Hvis protonen er ustabil, er dens levetid i hvert fald større end 1029 år [kilde].

For at løse dette problem indfører partikelfysikerne typisk et ekstra kvantetal, der er forskelligt for partikler og deres superpartnere . Dette kvantetal kaldes "R-paritet". En interessant konsekvens af dette kvantetal er, at den letteste superpartner ikke kan henfalde [kilde].

Hvorfor er noget stof usynligt? Vi ser kun en lille del af det stof, der er i Universet [kilde]. Det er et af de store spørgsmål i kosmologien, hvad resten af stoffet i Universet så er. Det er i dag alment accepteret, at store dele af dette resterende stof i Universet må være tunge partikler, der kun vekselvirker svagt [kilde].

Den samme mekanisme, som sikrer os, at protonen forbliver stabil, kan dermed forklare en af de store astronomiske gåder [kilde].

På trods af Standardmodellens enorme succes er der behov for at udvide den, bl.a. fordi man ellers har svært ved at forklare det mørke stof, der er observeret i galakser, hvor det mørke stof udgør omkring 6 gange så meget som almindeligt stof (atomerne) [kilde].

Supersymmetri-princippet giver i mange modelteorier en kandidat til mørkt stof [kilde].

En af de førende kandidater til supersymmetriske superpartnere er "neutralinoen" – den letteste og mest stabile superpartner og derfor en god kandidat til det mørke stof [kilde].

Netop denne kandidat er ledetråden for strategien for ATLAS-detektorkompleksets jagt på supersymmetri i LHC-acceleratoren [kilde].

Man har aldrig set supersymmetri-partikler . De må derfor enten være meget sjældne eller svære at se . Hvis masserne er under 1 TeV (som de skal være for at redde Higgs-massen) har man ingen grund til at tro, at de er sjældne . Hvis vi går ud fra, at de vekselvirker gennem den svage kernekraft, betyder det, at de er at betragte som "tunge neutrinoer", og de ville dermed være en perfekt kandidat til mørkt stof [kilde].

¤¤¤

[[http://bionyt.s807.sureserver.com/partikelfysik.asp#Hvorfor er tyngdekraften så svag?|Hvorfor er tyngdekraften så svag?]]
For at forstå, hvorfor fysikerne søger efter supersymmetri på CERN, er det en god idé at kigge på nogle af de problemer, der er i partikelfysikkens Standardmodel . Et af disse problemer er hierarkiproblemet: Hvorfor er tyngdekraften så svag i forhold til de andre kræfter (den elektromagnetiske kraft og den stærke og svage kernekraft)[kilde].

Gravitationens svaghed er dramatisk: En lille magnet overvinder let hele Jordens masse, når magneten løfter et jernsøm op fra jorden. [kilde].

Gravitationen forekommer os kun vigtig, fordi store stofansamlinger (som os selv eller planeten, som vi bor på) er elektrisk neutrale. Af denne årsag er de elektriske kræfter uendeligt små. Det efterlader gravitationen som den eneste overskydende kraft, selv om den altså er meget svag.[kilde].

Isaac Newton foreslog sin lov om gravitation for over 300 år siden – altså den kraft, der får æblet til at fra ned fra grenen, holder vores fødder på jorden og i øvrigt Jorden i sin bane om Solen . Men fysikken kan stadig ikke forklare, hvorfor gravitation er så meget svagere end alle de andre kræfter[kilde]. F.eks. er den tyngdemæssige tiltrækning mellem to elektroner er 1043 gange svagere end den frastødende elektriske kraft mellem de to elektroner. Elektroner skulle være 1022 gange mere massive for at de tyngdemæssige kræfter mellem de to elektroner ville være ens med de elektriske kræfter imellem dem. At frembringe en så tung partikel ville kræve 1019 gigaelektronvolt (GeV) energi, – en mængde kendt som Planck-energien [kilde]. (En relateret størrelse er Planck-længden, som er små 10-35 meter. Til sammenligning er et brintatoms kerne (dvs. en proton) omkring 1019 gange så stor som Planck-længden og med en masse på omkring 1 GeV [kilde]. På Planck-skalaen bliver gravitation sammenlignelig i styrke med elektromagnetisme og de andre kendte kræfter. Derfor har fysikere antaget, at teorien, der forener gravitationen med de andre vekselvirkninger, kun ville kunne afsløres ved disse enorme energier på Planck-skalaen. Det ville betyde, at den endelige store, forenende teoris natur aldrig ville kunne eftervises eksperimentelt, idet Planck-skalaen for energi og længde er langt uden for rækkevidde for selv de mest kraftige acceleratorer. CERN's Large Hadron Collider (LHC) kan kun afprøve afstande ned til 10-19 meter.[kilde].

Dagens kraftigste acceleratorer undersøger energiområdet i størrelsesordenen 1000 GeV (gigaelektronvolt) (en teraelektronvolt eller TeV). I dette område har eksperimentatorerne set foreningen af den elektromagnetiske kraft og den svage vekselvirkning (en kraft mellem subatomare partikler, som er ansvarlig for visse typer radioaktivt henfald). Vi ville forstå gravitationens ekstraordinære svaghed, hvis vi forstod den faktor på 1016, der adskiller den elektrosvage skala fra Planck-skalaen.. Standardmodellen kan ikke forklare størrelsen af dette enorme gab. Standardmodellen er nemlig justeret til at passe med den observerede, elektrosvage skala.[kilde].

I 20 år har teoretikere angrebet gåden om den svage tyngdekraft i forhold til de andre tre kendte og langt kraftigere kræfter, kaldet "hierarkiproblemet". Det har de forsøgt ved at ændre på Standardmodellen. F.eks. ved hjælp af supersymmetri-princippet. Man har ikke direkte vidnesbyrd om at supersymmetri-princippet. Men man har indirekte vidnesbyrd: Når de målte styrker af de stærke, svage og elektromagnetiske kræfter ekstrapoleres til kortere afstande, mødes de kun meget nøjagtigt ved en fælles værdi, hvis ekstrapolationen styres af supersymmetriske regler, hvilket peger på en supersymmetrisk forening af disse tre kræfter ved omkring 10-32 meter, dvs. omkring 1000 gange større end Planck-længden. Dette er dog stadig langt hinsides partikelacceleratorernes rækkevidde.[kilde].

Planck-skalaens ekstraordinære skala (som er blevet accepteret i et århundrede, siden Planck først indførte den), er baseret på en uprøvet antagelse om, hvordan gravitation opfører sig på korte afstande.[kilde].

¤¤¤

[[http://bionyt.s807.sureserver.com/partikelfysik.asp#Hvor mange dimensioner er der i Universet?|Hvor mange dimensioner er der i Universet?]]
Vort univers synes at have fire dimensioner: Nemlig tre dimensioner af rum (op-ned, venstre-højre, frem-tilbage) og en dimension af tid. Det er ikke umuligt at forestille sig, at man ved nærmere betragtning kan gå mellem forskellige dimensioner: En uldtråd kan betragtes som 1-dimensional, hvis der f.eks. står en myre 5 cm inde på tråden. I et mikroskop af den samme uldtråd vil vi måske opdage, at der kravler støvmider rundt på trådens 2-dimensionale overflade, og vi kan lade mikroskopet zoome 3-dimensionalt ned imellem uldfibrene.

Skønt vi dårligt kan forestille os yderligere dimensioner end de kendte, har matematikere og fysikere længe analyseret egenskaberne ved teoretiske rum, der har mange flere dimensioner.

At postulere ekstra dimensioner kan forekomme mærkeligt, men for fysikere er det en velkendt ide, som daterer sig tilbage til 1920'erne, da en polsk matematiker Theodor Kaluza og en svensk fysiker Oskar Klein udviklede en forenet teori om gravitation og elektromagnetisme, som krævede en ekstra dimension [kilde]. I over 90 år har man således haft idéen om eksistensen af ekstra dimensioner ud over vores fra dagligdagen velkendte fire dimensioner (der samlet kaldes "rumtiden", dvs. længde/bredde/dybde og tid) [kilde].

Ideen om flere dimensioner er blevet genoplivet i de moderne strengteorier, som kræver i alt 10 rumlige dimensioner for at opnå intern matematisk konsistens. [kilde].

Teorierne med de mange dimensioner er forsøg på at forstå gravitationen[kilde]. Muligheden for små ekstra dimensioner, hvor Universet er fanget på en firedimensional membran, ville kunne forklare, hvorfor tyngdekraften er så svag på partikelniveau [kilde]. Med opstarten af verdens kraftigste supermikroskop – Large Hadron Collider (LHC-acceleratoren) – kan eftersøgningen af sådanne små ekstra dimensioner begynde .

Tidligere har fysikerne antaget, at de ekstra dimensioner er krøllet op til små cirkler med en størrelse nær den traditionelle Planck-længde på 10-35 meter. De vil så ikke kunne påvises. Dette efterlader gåden om hieraki-problemet uløst. Men de ekstra dimensioner kan ifølge de nyere teorier være foldet til relativt store cirkler med mindst 10-14 meters radius – eller måske i så enorme cirkler som en millimeter.[kilde].

Man kan forestille sig, at alt stof og alle de kræfter, vi kender til – med undtagelse af gravitationen – er begrænset til en "tredimensional væg" i de ekstra dimensioners rum. Elektroner, protoner, fotoner og alle de andre partikler i Standardmodellen ville ifølge denne tankegang ikke kunne bevæge sig ud i de ekstra dimensioner. Elektriske og magnetiske feltlinier ville heller ikke kunne spredes ind i det højere dimensionerede rum. Derimod ville tyngdefeltets linier kunne udbrede sig i det højere dimensionerede rum. Den partikel, der transmitterer gravitationen, gravitonen, ville kunne rejse frit ind i de ekstra dimensioner, ifølge disse teorier. Tilstedeværelsen af de ekstra dimensioner kan derfor kun føles gennem gravitationen.[kilde].

For at lave en analogi kan man forestille sig, at alle partiklerne i Standardmodellen (f.eks. protoner og elektroner) er billardkugler, der bevæger sig på overfladen af et enormt billardbord. Hvad billardkuglerne angår ville universet være 2-dimensionalt. Ikke desto mindre ville billardbordets "billardbeboere" (på trods af at billardbeboerne selv var lavet af billardbolde) alligevel kunne detektere den højere dimensionerede verden: Når to bolde rammer hinanden tilstrækkeligt hårdt, ville de frembringe lydbølger, som ville bevæge sig bort fra den 2-dimensionale verden og ud i alle tre dimensioner og dermed føre noget af energien væk fra billardbordet, hvilket ville kunne påvises. I billardbordet-billedet er lydbølgerne analoge med gravitoner, som kan bevæge sig i det komplette, højere dimensionerede rum. I højenergi-partikel-kollisioner ville vi forvente at observere manglende energi som resultat af, at gravitoner undslipper til de ekstra dimensioner[kilde].

Skønt det kan forekomme mærkeligt, at nogle partikler skulle være begrænset til en "tredimensional væg", er lignende fænomener temmelig velkendte: F.eks. kan elektroner i en kobberledning kun bevæge sig i ledningens 1-dimensionale rum. Elektronerne bevæger sig ikke ind i det omgivende 3-dimensionale rum. På samme måde bevæger vandbølger sig primært på havets overflade, og ikke gennem havets dybder. Det specifikke scenario, som vi beskriver, i hvilket alle partikler med undtagelse af gravitationen er begrænset til en "3-dimensional væg", kan opstå naturligt i strengteori. Strengteorien indeholder sådanne "vægge", kaldet D-branes, hvor "brane" er afledt af ordet "membrane", og hvor "D" står for "Dirichlet", hvilket henviser til en matematisk egenskab ved branes. [kilde].

D-branes har præcis de krævede egenskaber: Partikler som elektroner og fotoner repræsenteres af små strengstykker, som hver har to endepunkter, der skal være fastgjort til en D-brane. Gravitoner er derimod små lukkede ringe af streng, der kan vandre ind i alle dimensionerne, fordi de ikke har nogen endepunkter, der forankrer dem til en D-brane.[kilde].

Standardmodellens partikler kan tænkes fanget på en 4 dimensional membran ("Brane") , så kun den kraftbærende partikel for tyngdekraften, gravitonen, kan bevæge sig frit i de ekstra dimensioner ("Bulk") [kilde].

Ideen om ekstra dimensioner fortsætter i øvrigt den Kopernikanske tradition for forståelse af vor plads i verden: Jorden er ikke centrum for solsystemet. Solen er ikke centrum for vores galakse. Vores galakse er kun en blandt milliarder galakser i et univers, der ikke har noget centrum. Med teorierne om et system med mange dimensioner, ville vores univers blot være en tynd membran i dimensionernes hele rum. [kilde].

Gravitationens styrke er ifølge teorierne intimt relateret til, hvor mange dimensioner den gennemtrænger. Således ville studier af gravitationens virkninger over afstande, der er mindre end en millimeter, kunne afsløre eksistensen af ekstra dimensioner for os. Sådanne eksperimenter er undervejs. Hvis sådanne dimensioner findes, ville vi måske i højenergipartikel-acceleratorer som LHC-acceleratoren kunne påvise dannelsen af bizarre kvante-gravitationsobjekter, såsom mikrosmå "sorte huller", graviton-partikler og superstrenge [kilde].

Hvis der findes store ekstra dimensioner, vil fysikerne i de kommende år måske opdage afvigelser fra Newtons lov nær 6 x 10-5 meter, og man vil måske detektere strengvibrationer på LHC-acceleratoren. Kvantegravitation og strengteori vil i så fald kunne blive til videnskab, der kan testes [kilde].

Oprindelsen til idéen om ekstra dimensioner tager sit udgangspunkt i partikelfysikkens søgen efter at forene alle naturens kræfter i én fuldstændig teori (på engelsk "Theory Of Everything", TOE), som beskriver verden på partikelniveau [kilde].

Partikelfysikkens Standardmodel har med succes kunne forklare alle eksperimentelle udfald til dags dato og modstået mere end 30 års ihærdige forsøg fra partikelfysikere på at finde afvigelser eller fejl . Alligevel ved man, at den ikke kan være den fuldstændige teori, for den inkluderer ikke den mest fundamentale kraft af alle: Tyngdekraften . Der har i årevis været gjort mange forsøg på at inkludere tyngdekraften i en komplet teori, men uden succes [kilde].

Strengteori anses i dag for at være en af de bedst udviklede formalismer til at kunne forene tyngdekraften med de 3 andre kendte kræfter i naturen[kilde]. Men for at dette kan lade sig gøre, kræves eksistensen af to radikale idéer: Supersymmetri-princippet og de ekstra dimensioner [kilde]. I strengteori bliver Supersymmetri og de ekstra dimensioner dog først relevante ved så store energier i partikel-kollisionerne, at man antageligt aldrig vil kunne opdage dem [kilde].

Planck-skalaen (Planck-massen) anses af fysikere for at angive den omtrentlige energiskala for kvante-gravitation [kilde]. Den er bestemt ved dimensionsanalyse. Planck-massen er en kombination af de fundamentale naturkonstanter for tyngdekraften (GN ), Relativitetsteorien (c) og kvantemekanikken (Nh ) .

I mange år har strengteorierne antaget, at der var 6 ekstra dimensioner ud over de 4 velkendte, altså 10 dimensioner i alt. Tyngdekraften og de 3 andre kræfter skulle således befinde sig i et 10-dimensionalt rum-tid-kontinuum [kilde].

Vi er alle bekendte med de sædvanlige 3 rumlige dimensioner: Højde, længde og dybde. Det er derimod svært at forestille sig, hvordan ekstra dimensioner vil se ud. Man har ikke set dem, men man burde på en eller anden måde kunne se effekten af dem under de rette forsøgsbetingelser . Et muligt svar på, hvorfor man ikke har set virkninger af de andre dimensioner, er, at disse ekstra dimensioner er så små i forhold til vores fire kendte dimensioner, at fysikerne ikke kan måle de andre dimensioner[kilde].

Fysikerne har været på jagt efter de ekstra dimensioners karakteristiske afstand, hvor tyngdekraften bliver lige så stærk som de andre kræfter . Forklaringen på, at de ekstra dimensioner er så små, kan skyldes at de er "krøllet" sammen via en såkaldt Kaluza-Klein mekanisme: Man kan forestille sig et sugerør, der er næsten uendeligt langt (de sædvanlige dimensioner) men meget tyndt (de ekstra dimensioner) [kilde]. Hvis dette virkeligt eksisterer, så vil ethvert fænomen knyttet til de ekstra dimensioner ligge langt udenfor rækkevidden af partikelfysik-eksperimenter på Jorden . Til sammenligning vil LHC-acceleratoren "kun" være følsom for effekter ned til 10-19 m [kilde], medens den naturlige størrelse i strengteorierne antages at være omkring Planck-længden, ca. 10-35 m.

I 1998 foreslog 3 teoretikere (Nima Arkani-Hamed, Savas Dimopoulos og Gia Dvali) muligheden for, at tyngdekraften er ene om at kunne bevæge sig i de ekstra dimensioner, mens alle andre partikler og kræfter er bundet til at bevæge sig i de sædvanlige fire dimensioner [kilde]. Dermed havde de født idéen om, at vores verden er en 4-dimensional membran i et højere dimensionalt rum . Dette var en stor aha-oplevelse for fysikerne, for de ekstra dimensioner behøvede ikke at være voldsomt små, hvis de tre kræfter, som man kender bedst, er fanget i 4 dimensioner og slet ikke kan mærke de ekstra dimensioner . At der så netop skulle være tale om flere andre dimensioner følger af matematikken, som beskriver disse ekstra dimensioner: For hvis der kun var én enkelt ekstra dimension ville det betyde, at den måtte have en størrelse svarende til vores solsystem – hvilket for længst burde være opdaget . Men allerede med blot 2 ekstra dimensioner bliver størrelsen mindre end 1 mm og med 3 ekstra dimensioner svarer størrelsen til diameteren på et atom [kilde].

Hvis man stiller spørgsmålet "Hvor præcist har man målt tyngdekraften på korte afstande?" bliver svaret: Forbavsende dårligt! Konventionelle ultra-præcise eksperimenter, der måler tyngdekraften mellem to massive objekter, kan i dag sætte en grænse for størrelsen af ekstra dimensioner på omkring 0,2 mm [kilde]. For at kunne sætte bedre grænser er det nødvendigt at bruge meget kraftige "mikroskoper" i form af partikelacceleratorer .

Moderne partikelacceleratorer rundt om i verden har indtil nu studeret de elektromagnetiske kræfter og de stærke og svage kernekræfter i kollisioner med energier op til 1000 GeV (gigaelektronvolt) uden at finde bevis for ekstra dimensioner. I dag forventer man derfor, at størrelsen af disse ekstra dimensioner er mindre end 10-18 meter . Dette svarer til, at hvis man forstørrer et atom til Jordens størrelse, så vil de ekstra dimensioner være på størrelse med et knappenålshoved eller mindre i forhold hertil [kilde].

En meget vigtig konsekvens af idéen om en 4-dimensional membran er, at tyngdekraften så faktisk slet ikke er svag . Forklaringen er, at en teori med flere dimensioner har en meget lavere Planck-skala, "MED", som kan være så lav som 1000 GeV/c2, hvorved tyngdekraften bliver lige så stærk, som de andre kræfter [kilde].

Den store værdi for den 4-dimensionale Planck-skala, "MP", skyldes manglen på de ekstra dimensioner: Med ekstra dimensioner spredes tyngdekraften ud i de ekstra dimensioner . Derfor svækkes tyngdekraften meget mere for afstande, der er mindre end størrelsen af de ekstra dimensioner . På store afstande ser man den sædvanlige svage styrke af tyngdekraften i 4 dimensioner [kilde].

Den virkelige Planck-skala er altså meget mindre, – og den synes kun meget høj, fordi man betragter tyngdekraften i 4 dimensioner [kilde].

På den måde fjerner eksistensen af ekstra dimensioner også problemet med Planck-skalaens betydning for massen af Higgs-partiklen – for nu er den virkelige Planck-skala omtrent magen til de andre skalaer i Standardmodellen [kilde].

På store afstande virker tyngdekraften svag, fordi man kun mærker den del af feltet, som udbreder sig i de normale tre dimensioner. Men på afstande, der er mindre end størrelsen af de ekstra dimensioner, kan man føle den fulde styrke af tyngdefeltet [kilde].

I dag har fysikerne udtænkt flere modeller med ekstra dimensioner, som man groft kan inddele i tre forskellige grupper: "Store ekstra dimensioner", "Universelle ekstra dimensioner" og "warped" (bøjede) ekstra dimensioner [kilde].

Grupperingen afspejler de forskellige antagelser om, hvorledes partikler og kræfter kan bevæge sig i de ekstra dimensioner . Fælles for alle modellerne er, at skalaen for tyngdekraften er meget lavere end Planck-massen [kilde].

Eksistensen af ekstra dimensioner vil kunne påvises. Afhængigt af hvilken størrelse, form og model, der beskriver de ekstra dimensioner, vil forskellige signaturer afsløre deres eksistens, f.eks. allerede under LHC-forsøgene . Alle modellerne for ekstra dimensioner giver anledning til en række nye bidrag til mange af de processer, som kan ske i sammenstødene mellem protonerne i LHC-acceleratoren. Nogle modeller giver anledning til nye partikler. Nogle modeller giver, hvis de er korrekte, produktion af sorte huller. At bestemme disse fingeraftryk fra ekstra dimensioner i en kollision i LHC-acceleratoren minder på mange måder om et detektivarbejde efter et voldsomt sammenstød mellem biler, hvor man skal finde alle, eller de rigtige, dele for at kunne bestemme bl.a. hastighed, bilmærke og model . Ud af en kollision i LHC-acceleratoren kommer i hundredvis af partikler, som hver især skal typebestemmes, og deres energi og bevægelsesretning skal måles . Derefter begynder det komplekse arbejde med at samle alle målingerne til et fuldstændigt billede af en enkelt kollision [kilde].

Den meget begrænsede størrelse og, endnu vigtigere, den periodiske form af de sammenkrøllede ekstra dimensioner medfører, at partikler, som bevæger sig i de ekstra dimensioner, kun kan have bestemte diskrete værdier af deres bevægelsesmængde langs disse . Afstanden mellem de enkelte værdier er omvendt proportional med radius . Dette svarer på mange måder til en guitar-streng, som foruden sin grundtone har et uendeligt antal overtoner med en fast afstand i frekvens, der kun afhænger af længden [kilde].

I lighed med en guitarstreng kan der være svingninger langs med de små ekstra dimensioner svarende til grundtonen og alle mulige overtoner . Hver overtone giver anledning til en ny anslået tilstand, en såkaldt KK-tilstand (fra Kaluza-Klein) [kilde].

Set fra vores 4-dimensionale verden vil partikler med bevægelsesmængde i de ekstra dimensioner synes at have en mindre bevægelsesmængde – de ser ud, som om de har fået ekstra masse. Partikler, som kan bevæge sig i de ekstra dimensioner vil således kunne komme med en uendelig "stige" af mulige bevægelsesmængder, som i 4 dimensioner ser ud som kopier af samme partikel med forskellige masser. Disse såkaldte KK-tilstande (fra Kaluza-Klein) kan i princippet skabes i kollisioner ved LHC-acceleratoren, hvis energien er høj nok [kilde].

Alle Standardmodellens partikler, som er fanget på den 4 dimensionale membran, har også KK-tilstande (fra Kaluza-Klein). Den relevante skala for deres uendelige stige af kopier er den nye og lavere Planck-skala, "MED", på 1000 GeV/c2 eller højere. Dermed kan LHC-acceleratoren faktisk producere disse nye KK-partikler, som f.eks. KK-elektroner, KK-fotoner osv.. Da alle disse tungere udgaver stadig mærker de andre kræfter i Standardmodellen, vil man være i stand til at påvise disse nye, dramatiske signaturer. Hvis de skabte KK-partikler henfalder, vil et af deres henfaldsprodukter altid være den tilsvarende meget lettere Standardmodel-partikel, som typisk vil have en voldsom energi, da den kommer fra en ekstrem tung KK-partikel [kilde].

Hvis de ekstra dimensioner ikke er alt for små, kan man være heldige at kunne producere flere (overtoner) af disse anslåede tilstande i LHC-acceleratoren og dermed ikke bare opdage ekstra dimensioner, men også bestemme antallet, størrelsen og endda formen af dem [kilde].

De fleste partikelfysikere håber, at der i LHC-acceleratoren vil blive fundet fænomener, der ikke kan forklares af Standardmodellen [kilde].

Et mål er simpelthen at se, hvad der ellers dannes af partikler ved ekstremt høje energier [kilde]. De første kollisioner af partikler i Large Hadron Collider (LHC) viste, at partikelknuseren producerede flere såkaldte mesoner, end forskerne regnede med, dvs. at antallet af mesoner steg mere, end man (ud fra tidligere forsøg baseret på kollisioner ved lavere energi) havde forventet. Da man så gik over til kollisioner med højere energi, dannedes lidt flere mesoner end forventet[kilde]. ]. Det betød, at metoden til at opdage sjældne partikler skulle finjusteres . "Resultaterne viste os, at vores forventninger ikke var helt forkerte, men man var nødt til at justere tingene en smule", siger fysikprofessor Gunther Roland fra Massachusetts Institute of Technology, der er leder af det internationale forskerteam, der stod bag opdagelsen .

Mesonerne opdeles hovedsageligt i pioner og kaoner. De opstår ved kollision mellem protoner i LHC-acceleratoren. I sig selv er mesonerne ikke interessante for forskerne, men man er nødt til at kende antallet af mesoner for at kunne opdage mere sjældne partikler, som f.eks. den mulige Higgs-partikel [kilde].

Med en energi på 7 TeV vil forskerne i løbet af nogle måneder begynde at få præcise målinger af partikler som W og Z bosonen samt top-kvarken [kilde].

Partikler, der tyder på ekstra dimensioner eller som tyder på at supersymmetri-princippet eksisterer, kan også vise sig, samt Higgs-partiklen, hvis denne viser sig at være tilstrækkelig let[kilde].

De næste 10 år med LHC-acceleratoren kommer på en eller anden måde til at stå i tyngdekraftens tegn.

¤¤¤

[[http://bionyt.s807.sureserver.com/partikelfysik.asp# Hvad er tyngdekraften?|Hvad er tyngdekraften?]]
Tyngdekraften beskriver tiltrækningen mellem objekter, der har masse. Tyngdekraften er imidlertid ufuldstændigt beskrevet.

Måske er Higgs-partiklen en skjult manifestation af tyngdekraften. Da Higgs-mekanismens eneste formål er at forklare partiklernes masser, gemmer den manglende opdagelse af Higgs-partiklen måske indirekte på en mere fyldestgørende beskrivelse af selve tyngdekraften [kilde].

Med indførslen af Higgs-mekanismen og den tilhørende Higgs-partikel opstår et nyt problem, nemlig at skalaen for tyngdekraften (Planck-skalaen) nok er utroligt meget større end alle de andre kræfters skala, men den kan alligevel direkte influere på Higgs-partiklen og dens masse. Indførslen af supersymmetri-princippet er en mulig løsning på at begrænse dette problem [kilde]. Supersymmetri løser det teoretiske problem ved partikelfysikkens Standardmodel: "Hvordan holdes Higgsmassen nede?"

En anden, mere kontroversiel løsning (der ligeledes er inspireret af strengteori), er at introducere ekstra rumlige dimensioner (ED) ved lavere energier [kilde].

Foruden muligheden for at skabe et væld af nye KK-partikler, så betyder en tilstrækkelig lav karakteristisk skala for tyngdekraften, at man med sikkerhed vil kunne producere gravitationel stråling – også kaldet gravitoner – i LHC-acceleratoren. Da gravitonen kan vekselvirke med alle partikler, som har energi (hvilket jo også er masse), så vil gravitonen bidrage til mange processer, som kan skabes i kollisionerne i LHC-acceleratoren, dog kun betydeligt for kollisionsenergier omkring (lavere typer af Planck-skala) "MED" eller højere [kilde].

Hvis gravitonen kan bevæge sig i de ekstra dimensioner (hvis disse eksisterer), vil et muligt tegn på sådanne ekstra dimensioner være en kollision, hvor en partikel, og dermed energi, er "forsvundet", fordi en graviton er blevet sendt ud i de ekstra dimensioner [kilde]. Det ville i vores 4 dimensionale detektor komme til at se ud som om, at energi og bevægelsesmængde ikke er bevaret. En mulighed for at opdage ekstra dimensioner er altså at opdage en graviton, som forsvinder ud af vores 4 dimensioner.

Da energi og bevægelsesmængde er bevaret i en kollision, så forventer man, at partikler vil blive udsendt i alle retninger som et slags fyrværkeri . Et tydeligt tegn på ekstra dimensioner vil derfor være en kollision, hvor alle partikler kun udsendes i én bestemt retning, da det indikerer, at en usynlig partikel må være udsendt i modsat retning . Denne partikel kan være en graviton, som undslipper ud i de ekstra dimensioner . Neutrinoer vekselvirker kun meget svagt med almindeligt stof og kan derfor nemt bevæge sig igennem hele den enorme detektor uden at blive opdaget . Men typisk vil massen og energien af gravitonen være meget stor, og man forventer derfor at se et overskud af kollisioner, hvor der mangler meget energi i forhold til vores kendskab fra Standardmodellen [kilde].

Et af de mest spektakulære tegn på eksistensen af ekstra dimensioner er muligheden for at producere mikroskopiske sorte huller i LHC-acceleratoren [kilde].

Ifølge generel relativitetsteori vil et sort hul blive skabt, hvis et massivt objekt bliver sammenpresset på et meget lille område [kilde]. Den præcise mening af "meget lille" er givet ved den såkaldte "Schwarzschild-radius"[kilde].

Schwarzschild-radien for et massivt objekt med massen "m" er defineret som den størrelse, som objektet skal komprimeres til, for at man vil skulle bevæge sig med lysets hastighed for at kunne undslippe dets tyngdefelt [kilde].

Et sort hul opstår, når et objekt sammentrykkes til en størrelse, som er mindre end dets Schwarzschild-radius. Jordklodens Schwarzschild-radius er f.eks. på ca. 9 mm [kilde]. Sammenpresning af Jordkloden til under 9 mm vil altså gøre den usynlig.

Schwarzschild-radien afhænger, foruden af objektets masse, også af egenskaberne ved mulige skjulte ekstra dimensioner, da disse ændrer Planck-skalaen og dermed gravitationskonstanten [kilde].

I nogle af modellerne for ekstra dimensioner kan Schwarzschild-radien blive betydeligt større, og det bliver derved meget nemmere at lave et sort hul . Under disse forudsætninger kan der måske skabes sorte huller i kollisioner af protoner i LHC-acceleratoren . For når to protoner kolliderer i LHC-acceleratoren, vil der være en lille chance for, at et par af protonernes bestanddele (kvarker) vil ramme hinanden næsten perfekt med meget høj energi . Dermed vil der opstå en voldsom koncentration af energi på et minimalt område således, at systemet måske vil kunne kollapse og blive til et sort hul [kilde].

Hvor mange sorte huller forventer man at kunne skabe ved LHC? Svaret afhænger lidt af modellerne for de ekstra dimensioner, men for "MED" (meget lavere Planck-skala end normalt) på ca. 1000 GeV/c2 viser nogle af modellerne, at der kan blive produceret omkring 1 sort hul per sekund!

Umiddelbart kunne man tro, at skabelsen af et sort hul vil betyde enden for vores mulighed for at opdage ekstra dimensioner, da man per definition ikke kan se, hvad der sker inden i det sorte hul. Men mikroskopiske sorte huller har en lille masse og er derfor ekstremt ustabile. Intensiteten af Hawking-strålingen (den kvantemekaniske proces, som beskriver, hvorledes sorte huller kan udsende partikler) afhænger dramatisk af massen på det sorte hul . Jo mindre masse, det sorte hul har, des mere energi bliver der udsendt [kilde].

For mikroskopiske sorte huller, som ville blive produceret ved LHC-acceleratoren, betyder det, at de henfalder næsten lige så hurtigt, som de bliver skabt – typisk hurtigere end en billiontedel af en billiontedel af et sekund (10-25 s) [kilde]. Henfaldet af et sort hul vil dog efterlade et meget karakteristisk fingeraftryk af partikler i en detektor, i form af en meget symmetrisk eksplosion til en række partikler med høj energi, herunder sågar Higgs-partikler – hvis de altså eksisterer . Ved at studere antallet af sorte huller, der produceres, samt bestemme hvor mange og hvilke partikler, der skabes i deres henfald, kan man lære noget om antallet og størrelserne af de ekstra dimensioner .

¤¤¤

[[http://bionyt.s807.sureserver.com/partikelfysik.asp# Hvad består byggestenene til stof af?|Hvad består byggestenene til stof af?]]
Eksperimenter har vist, at atomer i sig selv ikke er fundamentale, men består af elektroner, protoner og neutroner . Så vidt vides er elektronen fundamental. Derimod er protoner og neutroner opbygget af kvarker [kilde]. Udover de byggesten, der er nødvendige for at opbygge atomer – og dermed alt stof omkring os – findes der også andre fundamentale partikler .

Nedenfor opsummeres de fundamentale partikler, som man kender til i dag, og kræfterne der virker imellem dem [kilde].

Byggestenene: Kvarker og leptoner. – Kvarker kan kombineres til protoner, neutroner, pioner osv. – Leptoner er partikler, såsom elektroner og neutrinoer . Leptoner indgår ikke i opbygningen af protoner og neutroner, og deltager derfor ikke i opbygningen af kernestof [kilde].

Protoner består af 2 up-kvarker og 1 down-kvark. Det kan skrives "uud". Neutroner består af 2 down-kvarker og 1 up-kvark. Det kan skrives "ddu". Atomkerner består af protoner og neutroner. Disse to atomkernekomponenter, protoner og neutroner, kaldes samlet for "nukleoner", og de er "baryoner" (fermioner).

Hver type atomkerne indeholder et bestemt antal protoner og et bestemt antal neutroner, og kaldes en isotop (eller en nuklid). Kernereaktioner kan ændre en isotop til en anden isotop.

Atomer er den mindste ikke-ladede partikel, som stof kan inddeles i ved hjælp af kemiske reaktioner (men ved fysiske påvirkninger kan man altså komme ned på kvark-niveau). Et atom består af en lille, tæt og tung atomkerne omgivet af en stor, let elektronsky. Hver type atom svarer til et bestemt kemisk grundstof. Man har foreløbig fundet eller fremstillet 117 forskellige grundstoffer. Disse inddeles ifølge "den periodiske tabel".

Molekyler er den mindste bestanddel af et stof, som stadig har bevaret sine kemiske og fysiske egenskaber. Et molekyle (der er opbygget af atomer) svarer derfor til en bestemt "kemisk forbindelse".

Kvarker og leptoner er altså så vidt vides fundamentale, også kaldet "elementære partikler". Det betyder, at de ikke har nogen indre struktur, dvs. at de ikke er opbygget af andre partikler [kilde].

Kvarker og leptoner klassificeres i tre familier ud fra deres ladning og masse. Der er store forskelle i masserne: topkvarken er 100.000 gange tungere end up-kvarken .

Partiklerne inddeles i "familier". Grunden til, at man i naturen næsten udelukkende finder partikler fra "1.familie", skyldes et vigtigt begreb i partikelfysikken, nemlig stabilitet [kilde]. For partikler fra "2. familie" og "3. familie" eller sammensætninger af sådanne, er det energimæssigt fordelagtigt at henfalde til partikler fra "1. familie",.

Tunge partikler er energirige, og kan derfor henfalde til lettere partikler. Det modsatte finder generelt ikke sted i naturen . Protoner og elektroner er stabile, fordi de er de letteste af deres slags. De har derfor ikke noget at henfalde til ( fordi visse fysiske love forhindrer dem i at henfalde til ren energi) [kilde].

Derfor består verden omkring os af protoner, neutroner (der er stabile, når de befinder sig i en atomkerne) og elektroner. Verden består ikke af deres tungere fætre [kilde].

Alle partiklerne har en antipartikel med den samme masse, men modsat elektrisk ladning [kilde]. For eksempel findes der både en up-kvark og en anti-up-kvark . Der findes også både en elektron og en anti-elektron (som har fået sit eget navn, positron).

Hvis verden kun havde bestået af stoflige partikler og intet andet, ville ingen partikel kunne påvirke nogen anden partikel. Men partikler kan vekselvirke med hinanden. På fundamentalt niveau fortolkes vekselvirkninger mellem partikler som udveksling af andre partikler – de såkaldte "kraftoverførere" eller "bosoner" . At noget begrebsmæssigt så uhåndgribeligt som kræfter kan beskrives ved noget så håndgribeligt som partikler kræver nok lidt tilvænning . Det er ikke desto mindre en særdeles attraktiv egenskab ved partikelfysikkens verdensbillede . For at forstå, hvordan noget, der virker over afstand, kan beskrives ved hjælp af overførsel af en partikel, kan man tænke på følgende eksempel fra vores makroskopiske verden [kilde]. :

To mænd står på hver deres båd. Den ene kaster en bold til den anden. Ved at kaste bolden til hinanden skubbes bådene fra hinanden på samme måde, som hvis der havde været fysisk kontakt mellem personerne på bådene . Eksemplet viser, at man kan opnå en frastødende kraft ved at udveksle en partikel. Analogien bliver lidt mere søgt for en tiltrækkende kraft (boomerang) [kilde].

Så vidt vides findes der 4 fundamentale kræfter i naturen: tyngdekraften, den svage kernekraft, elektromagnetismen og den stærke kernekraft . Alle disse beskrives i partikelfysikken ved hjælp af udveksling af en kraftoverførende partikel, som er specifik for den enkelte kraft [kilde].

Den kraftoverførende partikel for den elektromagnetiske kraft er fotonen. (Den elektromagnetiske kraft formidles ved hjælp af fotoner) [kilde].

Den kraftoverførende partikel for den svage kernekraft er Z og W-bosonerne. (Kraftoverførerne for den svage kernekraft er Z og W-bosonerne).

Den kraftoverførende partikel for den stærke kernekraft er 8 forskellige gluoner. (De 8 forskellinge gluoner bærer den stærke kernekraft) [kilde].

Den kraftoverførende partikel for tyngdekraften er (den hypotetiske) graviton. (Tyngdekraftens bærer hedder gravitonen). Gravitonen er endnu ikke observeret eksperimentelt, så man ved strengt taget ikke, om gravitonen findes) [kilde].

Hvis man leder efter en ny elementarpartikel med høj masse, så skal man bruge høj energi til at skabe den i laboratoriet.

Hvis man leder efter meget små bestanddele af stoffet, så skal man bruge en meget lille bølgelængde, dvs. også en meget høj energi [kilde].

Partikelfysik er således totalt afhængig af at kunne skubbe energifronten længere og længere ud ved hjælp af stadig stærkere partikel-acceleratorer . Med LHC-acceleratoren åbnes store muligheder for opdagelser i et nyt, højere energiområde, end man hidtil har kunnet studere [kilde].

At studere de allermindste partikler hænger nøje sammen med at forstå det allerstørste, nemlig sammensætningen af hele vores Univers . Men i vores forståelse af Universet på denne allermest fundamentale skala mangler der stadig en meget vigtig brik i puslespillet . LHC-acceleratoren vil forhåbentlig kaste det endelige lys over den del af teorien, der knytter sig til gåden om, hvorfor partikler har masse [kilde].

Partikelfysikkens Standardmodel er den teori, der beskriver naturen på den mest fundamentale skala [kilde].

I Standardmodellen er alle partikler repræsenteret af såkaldte "felter", der som klassiske bølger udbreder sig i tid og rum. Standardmodellens partikler overholder kvantemekanikkens og relativitetsteoriens lovmæssigheder [kilde].

Der findes to typer partikler; stoflige partikler (såsom elektronen) og kraftbærende partikler (såsom fotonen) [kilde]. Disse elementarpartikler udgør de fundamentale byggeklodser, som vores univers er opbygget af . Alle elementarpartiklerne i Standardmodellen, på nær gluonen og fotonen, har masse.

Standardmodellen gør det muligt at beregne, hvordan elementarpartiklerne vekselvirker med hinanden. Standardmodellens teoretiske forudsigelser er blevet testet ved eksperimenter gennem de sidste 30 år . Indtil videre har alle observationer stemt overens med teorien ned til promille præcision . Ved fire kollisionspunkter undervejs bringes de modgående protoner så tæt på hinanden, at de kan vekselvirke med hinanden via den stærke kernekraft, hvorved dele af protonernes bevægelsesenergi ("kinetiske energi") kan omdannes og skabe nye partikler. Da protonerne, der i LHC-acceleratoren under maximal drift vil bevæge mod hinanden begge har energien 7 TeV, vil den totale energi være 7 TeV + 7 TeV = 14 TeV, men ikke al energien er til rådighed til at danne nye partikler. Dette skyldes, at vekselvirkningen kun involverer to kvarker, medens de resterende kvarker fortsætter langs stråleretningen . En uheldig følge af dette er, at den totale energi (og dermed impulsen) i kollisionen ikke er kendt . I det vinkelrette (transversale) plan kan impulsbevarelsen imidlertid udnyttes, idet de indkomne protoner vides at bevæge sig udelukkende i på-langs-gående (longitudinale) retning, dvs. at impulsen i den vinkelrette (transversale) retning, er forsvindende lille før kollisionen [kilde]. Ved ydermere at sørge for, at detektoren indeslutter kollisionspunktet på nær selve strålerøret, således at alle de skabte partiklers impuls/energi bliver målt,, kan impulsbevarelsen benyttes i det vinkelrette (transversale) plan . Det betyder, at selv i begivenheder, hvor der kun dannes en svagt vekselvirkende neutrino eller en anden usynlig partikel, kan impulsen af denne beregnes som den manglende impuls ved at udnytte impulsbevarelsesprincippet samt det faktum, at alle andre partiklers impuls bestemmes via eksplicitte målinger af de spor, som partiklerne afsætter i ATLAS-detektorkomplekset .

ATLAS-detektorkomplekset er designet til at have de bredest mulige anvendelsesmuligheder, dvs. at man ved ATLAS både forventer at have et godt redskab til at lede efter ny fysik (såsom Higgs og supersymmetri) samt at være i stand til at måle kendte partiklers egenskaber med større nøjagtighed . Det sidste er også vigtigt, idet vores nuværende forståelse af de fundamentale partikler og deres vekselvirkninger foreskriver, at hvis man kan måle visse parametre meget præcis, så kan man udnytte denne viden til at forudsige størrelsen af andre parametre – for eksempel de parametre, der kendetegner ny fysik . Ved altså at foretage præcisionsmålinger af kendte partiklers egenskaber, kan man ud over at få et tjek af Standardmodellen også forudsige, hvorledes ny fysik kunne se ud i detektoren, og dermed påvise sådan ny fysik i det omfang, den eksisterer [kilde].

For bedst muligt at opfylde disse ambitioner er det nødvendigt at være i stand til at foretage præcisionsmålinger af:

– Elektroner og myoner .

– Fotoner (lys kvantum) .

– Ikke vekselvirkende partikler, såsom neutrinoer (måles ud fra manglende impuls) .

– Jets af partikler (en jet opstår f.eks. når en kvark eller en gluon udsendes med stor energi).

Det er nødvendigt at måle de mange forskellige størrelser i et miljø med 20 overlappende begivenheder, der i alt resulterer i ca. 2000 partikler skabt for hvert 25 nanosekunder . Den høje begivenhedsrate og partikeltæthed stiller høje krav til elektronikkens hurtighed og robusthed samt til sporfindingspræcisionen og har ført til designet af ATLAS-detektorkomplekset [kilde].

¤¤¤

[[http://bionyt.s807.sureserver.com/partikelfysik.asp# Hvilke detektorer findes i ATLAS-detektorkomplekset i LHC-acceleratoren (CERN)?|Hvilke detektorer findes i ATLAS-detektorkomplekset i LHC-acceleratoren (CERN)?]]
Sporfindingsdetektoren For at kunne rekonstruere, hvad der skete under en kollision, er det nødvendigt at måle små energiafsætninger og sammensætte disse til spor af de forskellige partikler . I ATLAS-detektorkomplekset løses denne opgave af sporfindingsdetektoren, som i sig selv består af tre subdetektorer, arrangeret i en slags løgstruktur uden om hinanden [kilde].

Nærmest kollisionspunktet sidder f.eks. "Pixel-detektoren", der har 80 millioner målekanaler. Den laver 3 målinger per spor. Hver måling har en præcision på 10 mikrometer i den vinkelrette (transversale) retning og 115 mikrometer i den på-langs-gående (longitudinale) retning . Detektoren er placeret blot få centimeter fra kollisionspunktet. Den er bygget af silicium, der kan tåle de enorme strålingshastigheder . Desuden er der en "Semi-Conductor Tracker (SCT-detektor)" og en sporfindingsdetektor, som kaldes "Transition Radiation Tracker (TRT)". TRT- sporfindingsdetektoren er baseret på gas, og består af cirka 400.000 strå, der er fyldt med xenon-gas og adskilt af radiatorer . Når en "ultrarelativistisk partikel" passerer en radiator dannes "transition-radiation" som følge af ændringer i det lokale "dielektrikum" . Denne stråling absorberes senere i xenongassen, hvor strålingen giver anledning til kraftig ionisering, der opsamles på en anode og derved giver et punkt på sporet . Eftersom produktionen af "transition-radiation" afhænger af den indkomne partikels "Lorentz-gammafaktor", kan målingerne bruges til at adskille interessante, sjældne elektroner fra den enormt store baggrund af pioner, fordi deres masser og dermed typiske gammafaktorer er så forskellige . Selv pioner og andre tunge partikler, som kun i ringe grad giver anledning til transition-radiation, kan spores via denne TRT-sporfindingsdetektor, idet alle ladede partikler vil ionisere xenongassen i et vist omfang, men ikke i nær samme omfang som transition-radiation fotoner [kilde].

Målingerne i de tre subdetektorer kombineres efterfølgende, hvorved der dannes et spor . For at måle impulsen udnyttes det, at hele sporfindingsdetektoren er indkapslet i en magnet, der har til formål at afbøje sporene, hvorved impulsen kan beregnes via afbøjningsradiussen . Fælles for de tre nævnte subdetektorer er, at partiklernes vekselvirking med dem er baseret på elektromagnetisme, således at kun ladede partiklers spor kan måles [kilde].

Kalorimetre og myondetektor Endnu en detektor, som partiklerne møder på deres vej væk fra kollisionspunktet, er det elektromagnetiske kalorimeter. Dette har til formål at stoppe partikler og måle den totale, afsatte energi . Herved måles energien ikke bare af de ladede partikler, men også energien af neutrale partikler . I det elektromagnetiske kalorimeter bruges absorber-plader af bly for at tvinge partiklerne til at vekselvirke . Herved dannes en byge af ladede, sekundære partikler, der efterfølgende ioniserer flydende argon. Ionisationen driver (som følge af et kraftigt elektrisk felt) til en anode, hvor et signal kan opsamles . Ved at bruge mange lag af skiftevis absorbere og detektorer, kan partiklerne til sidst bremses helt, og deres totale energi kan aflæses ud fra det totale signals størrelse [kilde].

Et elektromagnetisk kalorimeter er – som navnet antyder – især beregnet til energimålinger af partikler, der virker via den elektromagnetiske vekselvirkning – dvs. leptoner (men også fotoner, der via vekselvirking med detektoren konverterer til elektroner) – og man kan skelne, om bygen stammer fra en elektron eller fra en foton, idet en fotonbyge ikke har noget spor pegende imod sig [kilde]. ).

Atomkerner (protoner og neutroner) holdes sammen af den stærke kernekraft – svarende til, at molekyler holdes sammen af den elektromagnetiske kraft. En hadron er en partikel, der er opbygget af kvarker (evt. antikvarker) der holdes sammen af gluoner. Da alle kvarker påvirkes af den stærke kernekraft, vil alle hadroner ligeledes påvirkes af den stærke kernekraft. Kvarkerne slutter sig enten sammen med deres antikvark (meson-typen) eller tre kvarker slutter sig sammen (baryon-typen). Hadroner inddeles således i to familier, mesoner og baryoner: En meson (med boson-egenskaber) er hadroner opbygget af et kvark-antikvark par. Det simpleste eksempel er en pion (der er med til at holde atomkerner sammen). Et anden eksempel på en meson, som let fremstilles i partikelfysikken, er en "kaon". En baryon (med fermion-egenskaber) er opbygget af tre kvarker. De kendteste eksempler på baryoner er protonen og neutronen. (Tilsvarende er en antibaryon opbygget af tre antikvarker.) Det er muligt, at der også findes en tetrakvark ("eksotisk meson" opbygget af to kvark-antikvark par), og måske pentakvarker ("eksotiske baryoner" af fem kvarker, heraf en antikvark). Disse er dog ikke forudsat af Standardmodellen. Protonen er opbygget af to "up-kvarker" (der hver har den elektriske ladning +2/3) og en "down-kvark" (der har den elektriske ladning -1/3). Tilsammen får protonen derved ladningen +1.

Alle hadroner med undtagelse af protoner (og antiprotoner) er ustabile og henfalder – dog er neutroner stabile, når de befinder sig inde i en atomkerne.

Hadroner (såsom protoner og neutroner) lader sig kun i ringe omfang bremse og kan derfor ikke godt måles af det elektromagnetiske kalorimeter.

For at undgå at dele af bygen af sekundære partikler fortsætter bagud igennem detektoren (hvorved energimålingen ville blive upræcis) komplementeres det elektromagnetiske kalorimeter af et hadronisk kalorimeter . Princippet bag det hadroniske kalorimeter er det samme som for det elektromagnetiske kalorimeter: En sandwich af absorbere (her jern) og detektorelementer (her scintillatorer) [kilde].

Idet partiklerne fra en kollision er meget energirige (ofte med en energi på hundreder af GeV) er kalorimetrene nødt til at være meget dybe for at undgå, at dele af bygen passerer helt igennem kalorimetrene . Dette er en af grundene til de enorme dimensioner af ATLAS-detektorerne . De eneste partikler, der ikke stoppes af kalorimetrene, er myoner (samt neutrinoerne, som slet ikke vekselvirker med detektoren) . For at måle myon-spor benyttes bl.a. TRT-lignende gasdetektorer, hvor det udnyttes, at myoner er elektrisk ladede og dermed ioniserende partikler . Eftersom myondetektorerne (og dermed også resten af ATLAS-detektorkomplekset) er indkapslet i en enorm magnet, kan myonernes impuls (og dermed energi) beregnes ud fra sporenes krumning i det kraftige magnetfelt (op til 4 T) [kilde].

ATLAS-detektorerne vil lede efter begivenheder (f.eks. dannelsen af en Higgs-partikel eller en supersymmetrisk partikel), som teoretisk forudsiges at forekomme yderst sjældent, hvis de altså overhovedet forekommer [kilde].

I teoretiske modeller forudsiges det, at højst én begivenhed ud af en milliard indeholder ny fysik . Ydermere vil begivenheder, som indeholder ny fysik, ligne begivenheder fra velkendt fysik så meget, at det kun er muligt at skelne dem på et statistisk grundlag – altså ved at tælle, hvor mange af en given type begivenhed af kendt fysik, som man ville forvente at finde i forhold til, hvor mange man rent faktisk har observeret . Man skal finde nålen i høstakken – mange gange . Derfor er LHC-acceleratoren designet til at frembringe, hvad der svarer til en partikel-partikel kollision hvert nanosekund, og ATLAS-detektorerne er designet til at kunne håndtere denne store hyppighed [kilde].

For blot én af de 4 detektorer, ATLAS-detektorkomplekset, vil proton/proton-sammenstødene resultere i en datastrøm på op imod 100 Gb/s . Derfor har man indsat et filter, som har til opgave ved hjælp af meget hurtige test at frasortere 'uinteressante' begivenheder .

ATLAS-detektorkomplekset har i alt cirka 150 millioner måleenheder. Disse data læses ud ca. 40 millioner gange hvert sekund. Da der indsamles data i ca. 15 millioner sekunder hvert år, er det klart, at selv med vore dages regnekraft og lagringsmedier er det ikke muligt at lagre eller behandle alle disse 600 millioner data pr. år . For at afhjælpe dette problem benyttes en såkaldt "trigger", hvis formål er at frasortere uinteressante begivenheder, allerede inden de lagres . (Begrebet "triggering" bruges om "online udvælgelse af interessante begivenheder"). Frasorteringen af det uinteressante er baseret på en række kriterier, der er et udtryk for, hvorledes man forestiller sig, at interessant fysik burde se ud i detektoren . Et eksempel kunne f.eks. være, hvis der er meget energi afsat i det elektromagnetiske kalorimeter, idet dette kunne tyde på, at en højenergetisk elektron eller foton er blevet skabt . En højenergetisk elektron kunne tænkes at skyldes et henfald fra en supersymmetrisk partikel, og tilsvarende kunne en højenergetisk foton tænkes at stamme fra et henfald af en Higgs partikel . En sådan begivenhed er derfor potentielt interessant og sådanne data gemmes . Frasorteringen af det uinteressante betyder, at man reducerer data til cirka 100Hz (100 potentielt interessante begivenheder pr. sekund), hvilket er tilstrækkelig lavt til, at lagring og efterfølgende databehandling er mulig [kilde].

ATLAS-detektorkomplekset er umådelig kompliceret. Det har derfor været af afgørende betydning at teste de forskellige detektordele, udlæsningen, databehandlingen osv. allerede inden LHC-acceleratoren foretog de første kollisioner . Denne forberedelse stod på i flere år – bl.a. ved at udsætte et udsnit af ATLAS-detektorkomplekset for såkaldte testbeam . Herved kunne de enkelte detektordele testes under kontrollerede forhold, idet de blev beskudt med kendte partikler med en kendt energi [kilde].

For også at teste den færdigbyggede detektor udnyttedes det, at der selv i ATLAS-hulen (der befinder sig over hundrede meter under jordoverfladen) findes kosmisk stråling – typisk myoner, der er dannet i Jordens øvre atmosfære [kilde].

Ved at rekonstruere sporene fra sådanne myoner har man kunnet teste, hvorvidt de forskellige detektordele er placeret korrekt i forhold til hinanden, og om udlæsningen af de forskellige kanaler virker korrekt osv.[kilde]

Hvad er en myon?
En myon er en slags kortlevende, tung elektron (den vejer ca. 207 gange mere end en elektron). Myon'en er en elementarpartikel, som (ligesom elektronen) tilhører klassen af leptoner. Den blev oprindelig kaldt en my-meson (eller en my-partikel). Den henfalder ekstremt hurtigt, nemlig på ca. 2 milliontedele af et sekund. Der findes en negativ og en positiv myon, med samme masse og levetid, men modsat ladning. Den negative myon henfalder til en my-neutrino, en elektron og en antielektron-neutrino. Den positive myon henfalder modsat til en anti-my-neutrino, en antielektron og en elektron-neutrino.

Myoner optræder i store mængder i den sekundære kosmiske stråling og i partikelfysik-eksperimenter. De dannes ved henfald af pioner. Pionerne dannes selv, når protonerne (i den primære kosmiske stråling) rammer den øverste atmosfære med nær lysets hastighed. Myonerne ville ved en umiddelbar betragtning kun kunne nå 600 meter på grund af deres korte levetid, selv om de bevæger sig med nær lysets hastighed – men de når alligevel ofte dee ca. 10 kilometer ned til Jordens overflade, fordi tiden for en så hurtig partikel ifølge relativitetsteorien "går langsommere".

Pionen og myonen blev påvist i ca. 1947. Pionen var blevet forudsagt i 1934 af H.Yukawa, hvorimod opdagelsen af myonen, "den tunge elektron", var komplet uventet.

Pioner og myoner påvirkes af både de elektromagnetiske kræfter og de svage kernekræfter. Pionen påvirkes også af de stærke kernekræfter. Det forhold, at myoner ikke påvirkes af de stærke kernekræfter viser, at de tilhører klassen af leptoner. [Den Store Danske Encyklopædi bd.13 s.557 "myon"]

Både resultaterne fra testbeam i de enkelte detektordele, samt de kombinerede tests baseret på kosmisk stråling fra universet, har været yderst tilfredsstillende: ATLAS-detektorkomplekset ser ud til at fungere fuldt ud i overensstemmelse med specifikationerne [kilde]. Til trods for års intense forberedelser er der dog ingen, der med sikkerhed kan vide, hvorledes detektoren kommer til at virke, når den udsættes for de første proton-proton kollisioner . Inden man finder ud af, hvorvidt ATLAS-detektorkomplekset er i stand til at afvriste naturen nogle af dens allerdybeste hemmeligheder, følger først nogle meget spændende måneder, hvor partikelfysikere verden over arbejder på højtryk for at få detektoren til at virke optimalt – alt imens de holder vejret i spænding!

ATLAS-detektorkomplekset skal udforske mange fænomener – lige fra Higgs-partiklen til supersymmetriske partikler og ekstra dimensioner . Detektoren er 46 m lang og 25 m høj. Den er dermed den største detektor nogensinde. Over 1900 deltagende forskere fra 35 lande er tilknyttet ATLAS-detektorkomplekset . En forskergruppe ved Niels Bohr Institutet deltager i ATLAS-eksperimenterne.

ATLAS-eksperimenterne har altså til opgave at kigge bredt efter alle typer af kendt fysik såvel som ukendt fysik . En del af Standardmodellens parametre vil kunne bestemmes med forøget præcision, men måske mest spændende er eftersøgningen efter ny fysik.

¤¤¤

Tegn abonnement på

BioNyt Videnskabens Verden (www.bionyt.dk) er Danmarks ældste populærvidenskabelige tidsskrift for naturvidenskab. Det er det eneste blad af sin art i Danmark, som er helliget international forskning inden for livsvidenskaberne.

Bladet bringer aktuelle, spændende forskningsnyheder inden for biologi, medicin og andre naturvidenskabelige områder som f.eks. klimaændringer, nanoteknologi, partikelfysik, astronomi, seksualitet, biologiske våben, ecstasy, evolutionsbiologi, kloning, fedme, søvnforskning, muligheden for liv på mars, influenzaepidemier, livets opståen osv.

Artiklerne roses for at gøre vanskeligt stof forståeligt, uden at den videnskabelige holdbarhed tabes.