Knapt noen oppdagelse har skapt mer begeistring hos fysikere enn da Cern med sin enorme akseleratorring, den 4. juli 2012, annonserte funnet på en ukjent partikkel med masse på mellom 125 og 127 GeV – Giga elektronvolt: Veldig nært det som var beregnet.
Under ett år senere, er det bekreftet at det var «Higgspartikkelen» de hadde funnet. Eller så bekreftet som det lar seg gjøre i de kretser.
For det skal ganske mange 9-tall til bak 99, før det kan vedtas som helt sant.
Men det var sant nok til at Peter Higgs og François Englert ble tildelt årets Nobelpris i fysikk. Den fikk de for det teoretiske arbeidet de utførte på 60-tallet som spådde at en slik partikkel måtte eksistere.
Uten en slik partikkel hadde ikke elektroner hatt noen masse, og da hadde vi ikke fått atomer. Og universet slik vi kjenner det hadde ikke eksistert.
Les også: Nå vil Cern åpne døren til det mørke universet
Masse eller energi
En kan lure på hvorfor en masse oppgis i elektronvolt. Men slik er det i denne verden hvor ting beveger seg nesten med lyshastighet.
De som husker sin Einstein vil vite at E=mc2, energien er massen ganger kvadratet av lyshastigheten. Det betyr at elektronvolt som i utgangspunktet er et mål for energimengde like godt kan være et mål for masse.
En elektronvolt er definert som den energien et elektron tar opp når det passerer et elektrisk potensialfelt på en volt i vakuum. I et slikt felt blir det akselerert, og det øker bevegelsesenergien til elektronet.
Et annet resultat av Einsteins likning er at når partiklene suser av gårde, nesten med lyshastighet, og man tilfører mer energi, øker hastigheten bare marginalt enda nærmere lysets hastighet.
Dette høres kanskje veldig rart ut, men det er hverdagen for alle partikkelakseleratorer som finnes.
Les også: Dette blir fysikkens nye megamaskin
Kollisjoner
Det å vriste Higgspartikkelen ut av naturens gjemmested har ikke vært noen enkel sak. For å akselerere partikler til nesten lyshastighet har man bygget verdens største fysikkmaskin.
Den store akseleratorringen er plassert i en 27 kilometer lang tunnel på grensen mellom Sveits og Frankrike. Langs hele tunnelen går det to strålerør på 5 cm i diameter.
Det er inne i disse rørene, som pumpes tommere for gassmolekyler enn det vakuumet vi finner i det ytre rom, at partiklene akselereres. Hvert av rørene tar seg av hver sin retning.
På fire steder langs tunnelen finner vi de ulike eksperimentene. Det er her partikkelstrålene føres sammen slik at de kan kollidere, og når de gjør det, oppstår nye partikler som spres ut fra kollisjonene.
Poenget med disse fire stasjonene er at de er bygget som gigantiske digitalkameraer.
Et vanlig digitalkamera er bygget for å «telle» treff av fotoner – lyspartikler. Eksperimentene ved Cern skal telle alle slags partikler med ulike masser og energinivåer.
Les også: Fysikere tror universet vil gå ut på dato
Får opp farten
Fysikerne bruker enten protoner eller atomkjerner fra bly for å få nok energi i kollisjonene. For å kunne akselereres må partiklene ha en ladning for at de skal kunne drives fremover av radiobølger.
Partiklene «gripes» fast av radiobølgene og «surfer» av gårde. For at strålen skal gå rundt og rundt i ringen, må magneter ta tak i partiklene og avbøye strålen slik at den går i ring.
Skjønt helt i ring er det ikke. Stråler går rett frem og avbøyes av 1232 ekstremt kraftige topolede elektromagneter langs rørene. De går i praksis i rett linje mellom hver avbøyningsmagnet. I tillegg brukes 392 firepolede magneter for å fokusere strålene. Når strålene skal kollidere, benyttes magneter for å klemme dem ekstra tett inne i eksperimentene.
For å etablere så kraftige magnetfelter som trengs til å endre retning på og fokusere strålene, trengs det en strømstyrke på 12.000 ampere i elektromagnetene. Det er ikke mulig å lage magneter med slike enorme strømstyrker uten at de gjøres superledende.
Derfor må alle sammen kjøles ned med flytende helium til 1,9 grader kelvin, altså 1,9 grader over det absolutte nullpunkt og kaldere enn verdensrommet som har en temperatur på ca. 3 grader kelvin.
All kjølingen, driften av magnetene og alt det andre utstyret gjør at anlegget forbruker rundt 100 MW når det går. Det er 2/3 av full effekt i Altakraftverket.
Les også: – Den største partikkeloppdagelsen siden elektronet
Full rulle
Når de såkalte partikkelbuntene, hoper av partikler, sendes inn i strålerøret og akselereres til tilnærmet lyshastighet, betyr det at de går 11.000 ganger rundt ringen hvert sekund. I hver retning.
Hver bunt er på ca. 2 cm i lengde, 1 mm i diameter og inneholder 1012 partikler. Foran eksperimentene blir den fokusert til rundt 64 tusendels mm i diameter. Omtrent som diameteren på et hårstrå.
Det er rundt en meter mellom hver bunt, så når eksperimentet er i gang, er det et enormt antall partikler inne i rørene. På tross av det høye antallet partikler på et ekstremt lite område er det svært sjelden at det oppstår kollisjoner.
Sjansen for kollisjon er omtrent som å treffe med to nåler som skytes mot hverandre fra 10 km hold. Derfor går buntene rundt og rundt i rørene i timevis. På ti timer har hver bunt gått 400 millioner ganger rundt i ringen.
Men uansett hvor stort antallet protoner er, så er protonkilden noe så enkelt som en flaske med komprimert hydrogen. Og en slik flaske holder omtrent uendelig.
Les også: Fysikere vil filme atomer
Front mot front
Når to protoner treffer hverandre med lysets hastighet, oppstår det en voldsom kollisjon som knuser partiklene til nye partikler.
Den totale energien som utløses i en slik kollisjon er omtrent det samme som om to mygg skulle fly inn i hverandre.
Men det er fordi det hele finner sted på et så utrolig lite område at det hele blir så voldsomt.
Les også:
