[[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.
¤¤¤
[[http://bionyt.s807.sureserver.com/partikelfysik.asp# Hvad skal CMS-detektoren i LHC-acceleratoren (CERN) bruges til?|Hvad skal CMS-detektoren i LHC-acceleratoren (CERN) bruges til?]]
CMS-detektoren er designet til mange formål. Den vil konkurrere med ATLAS-detektorkomplekset om at gøre opdagelser, men den har andre tekniske løsninger, bl.a. en stor, superledende solenoide (elektromagnet med ensartet magnetfelt) . CMS står for "The Compact Muon Solenoid" . Over 2300 forskere fra 38 lande er tilknyttet CMS-detektoren. CMS-eksperimenterne CMS -eksperimenterne har ligesom ATLAS-eksperimenterne til opgave at kigge bredt efter alle typer af kendt fysik såvel som ukendt fysik . Denne asymmetri kan have været aktiv i Universets tidligste fase, og kan have været bestemmende for, at der i Universet næsten udelukkende findes stof og næsten intet anti-stof. Man søger svar på spørgsmålet: Hvorfor og hvordan blev symmetrien mellem stof og anti-stof brudt i det tidlige Univers? . I dag er praktisk talt alt kun opbygget af stof . Over 700 forskere fra 14 lande er tilknyttet LHCb-eksperimentet [kilde].
¤¤¤
[[http://bionyt.s807.sureserver.com/partikelfysik.asp# Hvad skal ALICE-detektoren i LHC-acceleratoren (CERN) bruges til?|Hvad skal ALICE-detektoren i LHC-acceleratoren (CERN) bruges til?]]
ALICE-eksperimentet udnytter, at LHC-acceleratoren udover proton-proton-sammenstød også kan producere sammenstød mellem to bly-ioner [kilde]. Ved sådanne sammenstød skabes ekstremt høje energitætheder, hvorved man vil være i stand til at studere stof under forhold, der ligner dem, der fandtes kort efter Big Bang. ALICE-eksperimentet skal skabe plasma af kvarker og gluoner, svarende til forholdene i Universet omkring et mikrosekund efter Big Bang . ALICE står for "A Large Ion Collider Experiment" .ALICE-eksperimentet skal kollidere tunge atomkerner mod hinanden med så høj energi, at der kan skabes et kvarkgluon-plasma, hvilket kan give viden om, hvorfor kvarkerne kun er stabile i bundne systemer som protoner og neutroner, og hvorfor de vejer mere, når de indgår i disse partikler, end når de bevæger sig "frit" i et kvark-gluon-plasma [kilde]. ALICE er udviklet i et samarbejde med over 1000 forskere fra 30 lande . En forskergruppe ved Niels Bohr Institutet deltager i ALICE-eksperimenterne.
Desuden er der to små eksperimenter: LHCf og TOTEM [kilde].
ATLAS- og CMS-eksperimenterne skal lede efter eventuelle ekstra rumlige dimensioner, der er en forudsætning for f.eks. strengteorien . Eksperimenterne vil søge at svare på: Hvor mange ekstra dimensioner findes? Hvor store er de ekstra dimensioner? Hvordan er de ekstra dimensioner skjult? Hvordan bevæger partiklerne sig gennem de ekstra dimensioner? LHC-acceleratoren vil kunne påvise ekstra dimensioner, der er 10 million gange mindre end et atom (10-17 m) [kilde].
Alle disse fænomener, der er forudsagt af teorierne, bryder med kendt fysik, og vil forblive spekulationer, indtil de måske påvises i LHC-acceleratoren eller dens afløsere i fremtiden.
Med LHC-acceleratoren vender CERN sig fra at kollidere elektroner og positroner til at kollidere protoner. Grænsen for, hvor højt man kunne nå i energi med en cirkulær elektron-accelerator, var nået med LEP-acceleratoren . For at holde partikel-strålerne i en cirkulær bane, må strålerne afbøjes ved hjælp af et magnetfelt. Herved udsendes såkaldt synkrotronstråling . I LEP-acceleratorens sidste fase (dvs. ved en stråleenergi på 100 GeV) betød dette et energitab på 2,8% per omgang (96 mikrosekund). Dette energitab måtte der kompenseres for ved fortsat acceleration af strålerne . Ved at gå over til protoner i LHC-acceleratoren kan synkrotron-strålingen i praksis elimineres.
Ved skiftet til protoner opstår der imidlertid et andet problem . En proton er ikke en elementarpartikel, men et sammensat system bestående af kvarker og gluoner . Energien, der er til rådighed til produktion af nye partikler, er dermed ikke givet ved de to kolliderende protoners fulde energi, men kun ved den brøkdel, der bæres af de to proton-bestanddele, som faktisk kolliderer . Og man kan ikke vide præcis, hvor meget energi hver af de deltagende proton-bestanddele havde. Der sker nemlig løbende udveksling af energi mellem bestanddelene . Desuden er antallet af bestanddele i protonerne ifølge kvantemekanikken ikke veldefineret [kilde]. Proton-bestanddelenes energi er dermed kun givet ved en sandsynlighedsfordeling.
Selv om hver protonstråle har en strålenergi på 7000 GeV (gigaelektronvolt) vil man derfor måske kun opnå 1000 GeV (gigaelektronvolt) energi i eftersøgningen efter ny fysik.
Totaltværsnittet for proton-proton-vekselvirkninger i LHC-acceleratoren er knap 100 mb, hvor 1 mb er 10-27 cm2 [kilde]. Der kræves dermed en luminositet på 1034 cm2 pr. sekund, som da også er designværdien for LHC
Netop hensynet til den høje luminositet var afgørende for, at man valgte at kollidere protoner mod protoner, i stedet for protoner mod anti-protoner . Antiprotoner kunne simpelthen ikke produceres i tilstrækkelig høj hyppighed [kilde].
Strålerne i en partikelaccelerator er ikke kontinuerte strømme af partikler . Derimod er partiklerne samlet i adskilte bundter af nogle få centimeters længde . For at maksimere luminositeten har man tre parametre at spille på: 1) forøgelse af antallet af partikelbundter, 2) forøgelse af antallet af partikler per partikelbundt, og 3) formindskelse af strålernes tværsnitareal i kollisionspunktet[kilde].
For LHC-acceleratoren vil der være godt 1011 protoner i hver af de 2808 bundter, der cirkulerer i hver sin retning af tunnelen . Bundterne er adskilt fra hinanden med kun 25 nanosekunder, hvilket stiller ekstreme krav til de eksperimentelle opstillinger [kilde]. Strålerne er 16 mikrometer (16 my-meter) i diameter ved kollisionspunkterne.
Magnetsystem og køling
I LHC-acceleratoren accelereres partikler med samme elektriske ladning i de to modsatte omløbsretninger . For at holde strålerne i deres baner har man (i modsætning til de tidligere SPS- og LEP-acceleratorer) brug for to dipol-systemer med omvendt polaritet.
Stråleenergien er begrænset til 7000 GeV, fordi man ikke kan opretholde et kraftigere magnetfelt i dipolmagneterne. Det kraftige felt på 8,3 Tesla leveres af i alt 1232 superledende dipol-magneter . Yderligere 392 kvadrupol-magneter sørger for fokusering af strålerne. Hjertet i de superledende magneter er 6 mikrometer-tynde tråde af en niobium-titanium-legering, som er superledende ved temperaturer under -263°C (10 Kelvin) . Ved sådanne lave temperaturer vil en elektrisk strøm kunne løbe i trådene uden modstand (være "superledende") . Sammen med kobber er 6000 sådanne tråde samlet til 1 mm tykke ledere, hvoraf der er anvendt i alt over 250.000 km til fremstillingen af LHC-magneterne[kilde]. Den typiske strømstyrke i hver af de 1 mm tykke ledere er 800 Ampere.
For at køre LHC-acceleratoren er det nødvendigt at køle magneterne ned til under den kritiske temperatur, hvor de bliver superledende . Nedkølingen foregår ved hjælp af flydende helium . I princippet havde det været tilstrækkeligt at køle ned til -269°C (4,5 Kelvin), hvor helium bliver flydende, men i praksis har man valgt at køle helt ned til -272°C (1,8 Kelvin), som ligger under temperaturen, hvor helium bliver superflydende [kilde]. Udover at have en forsvindende viskositet, har superflydende helium den egenskab, at den har en uendelig stor varmeledningsevne. Den er dermed den perfekte væske i LHC's gigantiske køleanlæg . I alt holdes 40.000 tons materiale nedkølet til -272°C (1,8 Kelvin) ved anvendelse af 96 tons helium.
Inden protonerne bringes til kollision i LHC-acceleratoren har de allerede en lang rejse bag sig i CERN's acceleratorkompleks.
Først skabes de nøgne protoner ved at skrabe elektronerne af en brintgas i en såkaldt duoplasmatron . Via en lineær accelerator (Linac 2 acceleratoren) accelereres protonerne op til 0,05 GeV, før de føres til PSB-acceleratoren, hvor de accelereres op til 1,4 GeV (gigaelektronvolt). Derefter går turen via CERN's 40 år gamle PS-accelerator, hvor de accelereres op til 28 GeV, til SPS-acceleratoren, hvor de accelereres op til 450 GeV (gigaelektronvolt). Ved at vælge én af to ekstraktionslinjer fra SPS-acceleratoren ledes protonerne enten i positiv eller negativ omløbsretning i LHC-acceleratoren, hvor de endeligt accelereres op til kollisionsenergien på 7000 GeV (gigaelektronvolt)[kilde]. Accelerationssekvensen tager omkring 20 min, og når strålerne er på plads, forventes deres levetid at være omkring 10 timer.
I LHC-programmet skelner man mellem to driftsperioder, som hver strækker sig over en periode på tre år . I første periode planlægges det at køre LHC-acceleratoren med en luminositet på omkring en tiendedel af det maksimale, som LHC-acceleratoren er designet til . Der produceres herved 108 proton-proton-vekselvirkninger per sekund, svarende til godt to vekselvirkninger for hver gang to partikelbundter mødes (hver 25. nanosekund) [kilde].
I 2. periode af LHC-programmet vil man gå over til at køre acceleratoren ved så høj luminositet, som overhovedet muligt . Der er to årsager til dette todelte program . For det første er LHC-acceleratoren et meget kompliceret apparat, som det vil tage tid at lære at kende og drive optimalt . Men mindst lige så vigtigt er hensynet til eksperimenterne . Ved høj luminositet med omkring 25 vekselvirkninger per 25 nanosekund, vil det eksperimentelle apparatur til en vis grad gå i mætning, hvorfor den eksperimentelle opløsning forventes at være dårligere . Programmet kan sammenfattes således, at man i første periode ønsker at køre eksperimenterne med optimal følsomhed, hvorved man kan foretage målinger med den højeste præcision [kilde]. Dernæst skruer man fuldt op for luminositeten for at udnytte LHC's potentiale fuldstændigt i eftersøgningen af ny fysik.
Skønt alle dipol-magneter før installeringen var testet til 8,3 Tesla (8,3 T), viste det sig, at nogle få dipol-magneter havde brug for en ekstra "træningscyklus" for at kunne klare den høje strømstyrke, uden at de superledende egenskaber ville bryde ned [kilde]. Man valgte at udsætte denne træning til vinterperioden, hvor LHC-acceleratoren alligevel ville være lukket ned, og kørte derfor indtil denne træningsperiode med en reduceret feltstyrke og en tilsvarende reduceret stråleenergi.
¤¤¤
[[http://bionyt.s807.sureserver.com/partikelfysik.asp# Hvordan opdagede man mørkt stof?|Hvordan opdagede man mørkt stof?]]
Fritz Zwicky opdagede i 1933, at galaksernes masser – skønnet ud fra stjernelyset – ikke kunne forklare størrelsen af de målte interne hastigheder for Coma-hobens galakser . Fritz Zwicky havde dermed opdaget problemet med "den manglende masse", som det blev kaldt af astronomer i de følgende årtier [kilde].
Horace Babcock havde faktisk allerede fundet problemet i 1939 under studiet af Andromeda-galaksens rotation. Der manglede masse i de ydre dele af Andromeda-galaksen . Han fandt at forholdet mellem den totale masse og den totale luminositet (lysudsendelse) inden for det yderste målepunkt havde en meget stor værdi i forhold til masse/lysstyrke-forholdet for stjernerne. Han gav to mulige forklaringer: a) stjernelyset absorberes mere af støv i den ydre end den indre del af galaksen, eller b) Newtons og Einsteins tyngdeteorier må modificeres ved store afstande . Men han nævnte ikke den tredie mulighed: At der kunne findes en ukendt form for masse i de ydre områder af galaksen [kilde].
Horace Babcock sluttede sin afhandling med at sammenligne Andromeda-galaksen med Mælkevejen, der begge er spiralgalakser, og fandt at de adskiller sig fra hinanden på to punkter: 1) Andromedagalaksen er meget mindre end Mælkevejen og 2) rotationshastigheden vokser med afstanden for Andromeda galaksen, hvorimod den falder for de ydre dele af Mælkevejen [kilde].
Horace Babcock underestimerede "Hubble-afstanden" med en faktor 4, hvilket reducerer Horace Babcocks værdi for masse-lysstyrkeforholdet, men det ændrer intet ved, at forholdet vokser som funktion af afstanden til centrum [kilde].
Betegnelsen "manglende masse" blev omkring 1980 udskiftet med betegnelsen "mørkt stof" – i takt med, at bestemte elementarpartikler blev foreslået som kandidater til den manglende masse . Først blev det foreslået, at neutrinoen kunne udgøre det mørke stof, hvis den havde en passende stor hvilemasse . Det blev efterhånden klart, at neutrinoer ikke kunne danne strukturer som galakser, da neutrinoerne bevæger sig alt for hurtigt [kilde].
Det næste forslag tog udgangspunkt i en mindre krise, der var opstået i forståelsen af den kosmiske mikrobølge-baggrundsstråling, som blev opdaget i 1965 . Andrei Sakharov forudsagde allerede i 1966, at små tæthedsvariationer i den varme plasma, der udsender baggrundsstrålingen, vil frembringe stående lydbølger, som burde kunne måles som temperaturvariationer i baggrundsstrålingen . Trods ihærdige forsøg op igennem 1970'erne blev de ikke fundet . Mange fysikere fik den ide, at krisen kunne løses, hvis det mørke stof består af langsomme (også kaldt "kolde") massive elementarpartikler . Problemet er, at tæthedsvariationer i atomart stof ikke kan forstærkes af tyngdekraften så længe stoffet er i plasmaform (dvs. med atomkerner + elektroner) . Væksten af tæthedsvariationerne starter først, når elektronerne indfanges af atomkernerne og stoffet bliver gennemsigtigt . Der er ikke tid til, at meget små tæthedsvariationer kan vokse op til at danne de galakser og stjerner, som faktisk observeres . Men tæthedsvariationer i de kolde, mørke partikler kan vokse i det atomare stofs plasmafase, da partiklerne ikke vekselvirker med den elektromagnetiske stråling . Tæthedsvariationerne får derved den nødvendige størrelse til at kunne danne galakser i tide, selv om temperaturvariationerne ved udgangen af plasmafasen er meget mindre end krævet af atomart stof alene . Det kolde, mørke stof var desuden i stand til at forklare galaksernes fordeling i rummet . Man har fundet tegn på Andrei Sakharovs akustiske svingninger i de elliptiske galaksers fordeling i rummet [kilde].
Det mørke stof er ikke bare opfundet for at forklare de flade rotationskurver . Kolde, mørke partikler kan forklare flere andre fænomener i universet, som ellers ville være helt uforklarlige [kilde].
¤¤¤
[[http://bionyt.s807.sureserver.com/partikelfysik.asp# Er der risiko ved at lave kunstige sorte huller?|Er der risiko ved at lave kunstige sorte huller?]]
Det er ikke banebrydende videnskab, som LHC-acceleratoren er blevet kendt for . Det er de mikroskopiske sorte huller, som den måske kan skabe, og angsten for hvad der kan ske med Jorden og universet på grund af dem . Dommedagsteorierne florerer og der er masser af protester på nettet [kilde].
Energien til at skabe mikrosmå "sorte huller" ved partikelkollisioner kan tænkes at falde inden for det eksperimentelt mulige. Ved at observere sådanne fænomener ville fysikerne direkte kunne undersøge mysterierne i sorte hullers kvantefysik.[kilde].
Kunne disse mikroskopiske sorte huller tænkes pludselig at begynde at vokse for til sidst at opsluge hele Jorden? Kunne de måske endda også opsluge selve universet? [kilde]. Tanker som disse har skabt en del overskrifter i danske og udenlandske medier og har naturligvis afstedkommet et sagsanlæg i USA [kilde]. En 16-årig indisk pige skal ifølge Wikipedia endog have taget sit eget liv af frygt for det postulerede armageddon, som medierne skrev om [kilde]. .
LHC Safety Study Group – der er en gruppe af uafhængige videnskabsmænd – har både i 2003 og 2008 vurderet, at der ingen fare er ved dette LHC-forsøgene [kilde]. Menneskeskabte mikrosmå "sorte huller", omkring 10-19 meter i størrelse, ville være for små til at skabe problemer. De ville udsende energi, kaldet Hawking-stråling, og de ville fordampe på mindre end 10-27 sekund.
De forsøg, som forskerne laver med LHC-acceleratoren, er ikke anderledes end det, som foregår i universet hele tiden . Dette er et godt argument for, at der ikke er nogen fare ved brugen af acceleratoren . Hvis der var risiko for, at et sort hul ville opstå i LHC-acceleratoren og opsluge Jorden, ville det allerede være sket for længst, da protoner hele tiden smadrer sammen alle steder i universet [kilde].
"Naturen gør det hele tiden med kosmisk stråling, men det er første gang, det er gjort i et laboratorium", skrev et begejstret CERN, da LHC-acceleratoren kom i gang igen d. 30. marts 2010.
CERN har tilbagevist alle spekulationerne [kilde]. De sammenstød mellem protoner, som CERN laver med LHC-acceleratoren, er nemlig langt svagere end de kollisioner, naturen selv laver . Der er altså absolut ingen grund til nogen som helst bekymring. Naturen har selv lavet millioner af den slags forsøg, og naturens "forsøg" er langt kraftigere . Jorden har igennem milliarder af år været genstand for kollisioner mellem partikler fra rummet med ekstrem høj energi og atomer i Jordens atmosfære . Det skyldes den såkaldte kosmiske stråling, der hovedsageligt består af protoner, som er blevet accelereret op til voldsomme hastigheder på deres vej igennem Universet . Energien i disse kollisioner kan være enorm – mere end 1000 gange større end energien i en kollision i LHC-acceleratoren i CERN [kilde].
Man kan så spørge, om man ikke blot kan indfange disse naturlige sammenstød. Men nok sker der mange tusinde sådanne kollisioner med meget høj energi om året, men de er spredt ud over hele Jordens overflade, hvorfor man ikke endnu har kunnet bekræfte eller afkræfte eksistensen af mikroskopiske sorte huller ved at studere disse med detektorer anbragt nogle få steder på Jorden . Så i virkeligheden er spørgsmålet snarere, om man overhovedet vil kunne producere og påvise sorte huller, for i dag er der intet bevis for nødvendigheden af ekstra dimensioner, og selv hvis de findes, kan deres form og størrelse betyde, at sorte huller ikke vil blive skabt i tilstrækkeligt antal til, at man kan finde dem . På en måde skal man være umådelig heldig for, at alle disse betingelser bliver opfyldt, men gevinsten vil tilsvarende være det helt tydelige bevis på eksistensen af ekstra dimensioner. [kilde].
¤¤¤
[[http://bionyt.s807.sureserver.com/partikelfysik.asp# Hvor længe vil LHC-acceleratoren i CERN kunne bruges?|Hvor længe vil LHC-acceleratoren i CERN kunne bruges?]]
Der vil gå flere år med at forsøge at aftvinge naturen svar på de spørgsmål, som LHC-acceleratoren blev bygget for at studere.
Måske vil det efter fem år være lykkedes at finde Higgs-partiklen samt få visse antydninger af ny fysik uden for Standardmodellen [kilde].
Yderligere fremskridt med det eksisterende udstyr vil efter nogle år være op ad bakke . På det tidspunkt vil det tage fem år at halvere den statistiske usikkerhed på resultaterne – selv efter at have indregnet stadige forbedringer i acceleratorens virkemåde . Herefter vil det være helt umuligt at forbedre præcisionen ved bare at fortsætte [kilde].
Ydermere vil kvadrupol-magneterne omkring kollisionspunkterne ophøre med at fungere på grund af strålingsbeskadigelse . En fuld udnyttelse af LHC's potentiale vil således kræve en eller anden form for kvalitativ forbedring omkring år 2015-2020 . Det er bestemt ikke for tidligt her i 2010 at bekymre sig om dette, idet det erfaringsmæssigt tager mange år at planlægge, udføre og ikke mindst at finansiere større acceleratorprojekter [kilde].
Den første mulige opgradering, som falder i tankerne, er en forøgelse af energien i strålerne . Dette studeres under overskriften "Double energy LHC" (DLHC) . Det vil kræve helt nye dipolmagneter med nye superledende materialer, og det vil være meget dyrt . Måske ville det faktisk bedre kunne betale sig at genoplive det amerikanske SSC-projekt, som stoppede i begyndelsen af 1990'erne . Den 80 km lange tunnel under prærien i Texas eksisterer nemlig stadigvæk [kilde].
Luminositet-opgradering (SLHC) Man kan roligt gå ud fra, at det vil være en stor udfordring at få en energiopgradering af LHC-forsøgene vedtaget politisk . Derfor fokuserer man i stedet på at øge luminositeten, dvs. at opgradere intensiteten i de kolliderende proton-stråler [kilde].
Protonerne består af kvarker og gluoner. Det er i virkeligheden sammenstød mellem disse elementære bestanddele, som man er interesseret i . Mern hver proton-bestanddel bærer kun en brøkdel af protonens samlede energi . Det er ved høje proton-energier uhyre sjældent at finde en kvark, der bærer over halvdelen af protonens energi . Men med tilstrækkelig statistik kan man i princippet finde disse sjældne tilfælde og på den måde skubbe energigrænsen længere ud [kilde].
Basale elementer i infrastrukturen er tæt på at være udtjente allerede nu i 2010 . Det gælder elementer i injektionskæden af mindre acceleratorer, der til sidst afleverer protonerne til LHC-acceleratoren – ikke mindst Proton Synchrotronen (PS) og den lineære accelerator (LINAC 3), der blev bygget i 1960 [kilde]. CERN har allerede et program, finansieret af et ekstraordinært bidrag fra medlemslandene, til fornyelse af denne injektionskæde.
Herefter er det planen at forøge antallet af protoner per bundt med mindst 70% og samtidig fokusere protonerne mere på kollisionspunktet . Det er dog ikke noget, man bare gør, for acceleratoren opererer allerede med det maximale antal protoner, der kan lade sig gøre, uden at Coulomb-kræfter blæser de kolliderende bundter op, så partiklerne mistes . Men man kan formentlig undgå dette ved f.eks. at forøge den lille vinkel, hvorunder bundterne støder sammen, så de hurtigere end nu bliver adskilt fra hinanden igen . Men alle sådanne tiltag kræver en ombygning af acceleratorelementerne omkring kollisionspunktet [kilde].
Tætheden af partikler, som strømmer ud i detektorerne ved hver kollision af proton-bundterne, vil også kunne forøges enormt (med cirka en faktor ti). Dette kræver en ombygning af de detektordele, der er tættest på strålerøret [kilde].
En opgradering af luminositeten vil være en betydeligt mindre bekostelig sag end en opgradering af energien. CERN satser derfor på en opgradering af luminositeten til en Super-LHC (SLHC), som forventes at starte omkring 2012-14 [kilde].
Idéen med en opgradering er at klemme det sidste ud af acceleratoren . Antag f.eks. at Higgs boson partiklen er fundet – så vil en opgradering bedre kunne bestemme dens koblinger til fermioner og gaugebosoner, såvel som etablere dens skalare natur, dvs. den overmåde vigtige egenskab af "nul spin", som det forventes at Higgs boson partiklen vil have. Uden sådanne målinger vil der altid være tvivl om, hvad det egentligt er, man har fundet[kilde].
Ydermere vil fundet af en Higgs-partikel på 100 GeV (gigaelektronvolt) skalaen automatisk kræve en udvidelse af Standardmodellen med ny fysik, såsom ekstra dimensioner, supersymmetri eller andre nye symmetrier, som f.eks. kunne give sig udtryk i eksistensen af nye generationer af tunge gaugebosoner [kilde].
Alle disse teorier vil som typisk signatur have en ny partikel, som nok vil være meget tung, idet den endnu ikke er set . I så fald vil en energiopgradering være mere effektiv end en luminositetsopgradering til at finde partiklen [kilde].
Men en luminositetsopgradering vil dog kunne udvide grænserne med ca. 30% . Det ville faktisk være signifikant, idet man også ønsker, at den nye partikel skal give forklaringen på det mørke stof, som antages at udgøre seks gange mere af vores Univers end det stof, som stjerner og vi selv er lavet af, dvs. Standardmodellens stof . Massen af de elementarpartikler, som udgør det mørke stof, er nemlig begrænset ovenfra af astrofysiske observationer, såsom den kosmiske mikrobølgestråling . Samtidig er det sådan, at hvis de nye partikler er for tunge, kan de ikke reparere på de logiske problemer i Standardmodellen, som oprindelig motiverede til idéen om deres eksistens [kilde].
Hvis man antager, at Higgs bosonen ikke bliver fundet, skal Standardmodellen måske skrottes. Dog vil ny fysik i form af nye stærke vekselvirkninger mellem gauge-bosoner kunne dukke op på en energiskala af nogle få TeV, medmindre man da også skal skrotte kvantemekanikken . En luminositetsopgradering ville måske kunne afsløre tilstedeværelsen af en resonans ved 2 TeV i spredningen af tunge vektorbosoner, som ellers ikke ville være synlig [kilde]
Efter 5-10 års kørsel vil de indre detektorer, der kan genkende spor af elektrisk ladede partikler og måle elektrisk ladede partiklers impuls ud fra deres afbøjninger i et magnetfelt, være stærkt beskadiget af stråling og skulle udskiftes [kilde].
Men selve teknologien skal også fornys. Ved en super-LHC (SLHC) vil der være for mange tilfælde af to partikler, der rammer den samme kanal, så der sker for mange strålingsskader i udstyret . Desuden må tætheden af sensorer bringes til at matche den forøgede tæthed af partikler [kilde].
En af idéerne til udskiftning af de nuværende silicium-sensorer er at gå over til en tredimensional (3D) struktur dybt nede i siliciummaterialet . Det vil forøge strålingshårdheden at gå over til 3D, idet afstanden mellem elektroderne så kan gøres meget mindre end i den traditionelle 2D struktur, hvilket vil forbedre opsamlingen af ladninger [kilde].
En anden genial idé er de såkaldte "Gas Electron Multiplier detektorer" (GEM) og "MicroMegas-detektorer" . Det er små gasfyldte detektorer, hvor ladede partikler, som passerer forbi, frigør elektroner fra atomerne i gassen . Men i stedet for at multiplicere disse elektroner ved en højspændt tråd ligesom i en Geigertæller, så bruger man et fint gitter, som multiplicerer ionisationselektronen op til en byge af elektroner med samme størrelse, som hullerne i gitteret. Data for denne byge kan aflæses med en 2D silicium-pixel-detektor, der er anbragt nedenunder hullerne (hvor størrelsen af pixel-elektroderne er sammenlignelig med hullerne) . Dette giver en stedbestemmelse med under en tiendedel millimeters nøjagtighed på rigtigt mange punkter på partiklens bane, men uden at skulle bruge nær så meget silicium, som hvis partikelkoordinaterne skulle leveres af silicium-detektorer alene uden gasforstærkning [kilde].
En udskiftning af de indre detektorer (samt visse ændringer i de ydre detektorer) for at kunne klare den stærkt forøgede partikelstråling vil være nødvendig, men dette synes også at være inden for rækkevidden af de igangværende udviklingsprojekter [kilde].
CERN satser i første omgang på en opgradering, som kan træde i kraft omkring år 2017 . Der er mange idéer på banen, som konkurrerer om midlerne, – bl.a. meget spændende projekter, der sigter på at bygge en lineær elektron-positron collider (til sammenstød mellem elektroner og antielektroner), som i detaljer vil kunne studere de antydninger af ny fysik, der antages at blive opdaget i LHC-acceleratoren . Et internationalt projekt, "International Linear Collider" (ILC), er i designfasen og kunne være operationsdygtig omkring samme tidspunkt som SLHC . Projektet er dog noget hæmmet af budgetnedskæringer i USA og Storbritannien [kilde].
Et andet projekt er en "Compact Linear Collider" (CLIC) med meget højere kollisionsenergi [kilde].
Der er endvidere parallelle udviklingsspor af maskiner til særlige studier . Det gælder en fremtidig "neutrino-fabrik", en "super b-kvark-fabrik", samt muligheden for at bygge LHC-acceleratoren om til en elektron-proton collider [kilde].
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.
Recent Comments