På en tur til forskningssenteret Cern sammen med norske fysikere dukket det opp en mengde spørsmål fra følgere i sosiale medier. Vi lånte spørsmålene og utfordret tre fysikere.
Første stopp hos Carl Andreas Lindstrøm, som jobber spesielt med akseleratorteknologi.
– Hvorfor er partikkelakseleratoren Large Hadron Collider, LHC, akkurat 27 kilometer lang?
– Det er ingenting fundamentalt med 27 kilometer. Omkretsen er avveining mellom hva slags energi man ønsket å oppnå, basert på fysikken man ville måle. Og også hvor mye penger og ressurser man hadde tilgjengelig. Selve tunnelen til LHC-ringen ble først brukt for en annen maskin kalt LEP, Large Electron–Positron Collider, hvor man kolliderte elektroner og positroner – altså elementærpartikler – istedenfor protoner som i LHC.
– I nær fremtid ønsker man bygge en ny tilsvarende tunnel cirka 91 kilometer lang, med først en LEP-aktig akselerator og deretter en LHC-aktig akselerator. Denne går foreløpig under navnet FCC, Future Circular Collider.
– Er det snart utsikter til at vi får fungerende lyssverd?
– Nei, men vi har noen veldig imponerende lasere. Sjekk ut National Ignition Facility i USA eller Extreme Light Infrastructure i Ungarn og Romania.
– Hvor glade er fysikerne der nede i alufolie rundt matpakka?
– Veldig! Så glad i det, faktisk, at vi som bygger akseleratorer pleier å pakke inn omtrent hele maskinen i aluminiumsfolie. Det er ikke for at den skal vare til lunsjtider, men for å skjerme sensitiv elektronikk fra radiofrekvens-støy.
– Sier endene utenfor laboratoriene i Cern quark?
– Ja – og for å lage nye atomer trenger alltid Cern å få endene til å møtes.
– Kan Cern ved et uhell skape et sort hull som ikke lar seg kontrollere?
– Helt hypotetisk kan man tenke seg at små sorte hull kan skapes i partikkelkollisjoner i LHC, men energitettheten vi oppnår er ikke i nærheten av høy nok. Skulle det likevel skje, ville disse sorte hullene være så små at de umiddelbart vil fordampe gjennom såkalt Hawking-stråling. Du kan derfor sove godt om natten med tanke på sorte hull.
– Hvorfor kan ikke noe gå raskere enn lysets hastighet? Hvorfor er akkurat dette en grense for hvor fort ting kan gå? Hva skjer hvis noe går raskere?
– Ifølge Einsteins relativitetsteori beveger egentlig alle partikler seg i lysets hastighet hele tiden. Det høres rart ut, men gir mening dersom du tenker på fart som en slags vinkel.
– Forklart med en analogi: Tenk deg at du ser på en bil i en kikkert. Den kjører fra venstre til høyre på en vei med fartsgrense 60 kilometer i timen. Her ser du bilen bevege seg i nettopp den farten. Forestill deg en annen bil som kjører direkte mot deg i 60 kilometer i timen. Fra ditt synspunkt kan det se ut som bilen står stille. Dersom bilen kjører mot deg og mot høyre i en vinkel på 30 grader, vil bilen se ut til å kjøre i 30 kilometer i timen til høyre. I alle disse tilfellene kjører bilen i samme fart, altså fartsgrensen, forklarer han.
– Nå tilbake til lysets hastighet. På liknende vis beveger partikler seg i lysets hastighet i romtiden, dersom man tenker på tiden i seg selv som en retning – tilsvarende høyre og venstre og fra eller mot deg. Når en partikkel har fart, slik vi oppfatter den, har den egentlig en «vinkel» mellom tidsretningen og en romretning. Når en partikkel står stille fra vårt perspektiv, beveger den seg i lysets hastighet gjennom tidsretningen – det vil si at tiden dens går like fort som klokka på hånda di. Om den har litt fart, beveger den seg noe mindre i tidsretningen – tiden dens går saktere enn klokka di.
.png){kind=logo}
– Dette er en ekte effekt som for eksempel påvirker kosmisk stråling fra verdensrommet. Myoner, som egentlig henfaller – blir til andre partikler – etter rundt to mikrosekunder, kan overleve mye lenger. Faktisk hele veien fra den øvre atmosfæren til nede på bakken, fordi de går så fort at tiden deres sakkes ned.
– Til slutt, dersom en partikkel beveger seg i lysfarten, som lyspartikler gjør, står tiden dens helt stille. Det betyr at lyspartikler varer evig og aldri henfaller, selv om de ble sendt ut for 13 milliarder år siden.
– Hvorfor er lysfarten akkurat 299.792.458 m/s?
– Dette viser seg å være et fullstendig uviktig tall som stammer fra en historisk misforståelse fra fysikernes side. Egentlig er tid og rom det samme, men ble gitt ulike enheter - sekund og meter - før vi innså dette. Derfor blir verdien av lysfarten kun en tilfeldig konverteringskonstant på linje med den mellom miles og meter – 1,609344 meter per mile. Fysikere pleier ofte å ignorere dette og jobbe med rom og tid i samme enheter, i dette tilfellet er lysfarten ganske enkelt lik 1.
– Kan noe gå raskere enn lysfarten?
– Nei, dette blir det samme som å spørre om vi kan reise lenger nord enn Nordpolen.
– Jeg er ekstremt fascinert av tachyoner, men har ikke grep nok om det til å stille et vettugt spørsmål.
– Tachyoner er hypotetiske partikler som mest sannsynlig ikke finnes. De er partikler som hypotetisk beveger seg raskere enn lysets hastighet, som betyr at tiden deres ville måtte gå baklengs. Dette fører til alskens paradokser – se filmen Tilbake til Fremtiden fra 1985 for en ikke så vitenskapelig forklaring.
– Ved Cern har de klart å sette sammen et antihydrogenatom, hva jobber de med nå?
– På Antimateriefabrikken til Cern finnes en maskin kjent som Antiproton Decelerator, AD. Den er koblet til flere ulike antimaterie-eksperimenter hvor man produserer anti-hydrogen og liknende partikler. Dette gjøres ved først å sende en høyenergisk partikkelstråle gjennom et metall, iridium, for å produsere anti-protoner, som deretter fanges og sakkes ned i fart med AD. Deretter kombineres disse med anti-elektroner, også kjent som positroner.
– Positronene kan lages for eksempel med en radioaktiv kilde som natrium-22, gjennom beta-stråling. De seneste årene har eksperimentene forsøkt å måle blant annet om anti-hydrogen faller oppover eller nedover. Det virker som det faller nedover, men disse målingene er forventet å bli bedre snart. Dessuten måler de om antihydrogenet har samme strålespekter som vanlig hydrogen. Selv en bitteliten forskjell ville være et sterkt hint om ny fysikk, men vi har ikke sett noe forskjell ennå.
— Er det mulig å bygge en større partikkelakselerator ved å sende partiklene rundt jorda/månen/sola og utnytte det ledige arealet, tilgjengelig energi og vakuumet som finnes der?
– Dersom man vil bygge en partikkelakselerator med høyere energi, trenger man enten høyere magnetiske felter for å bøye partiklene, spesielt for protoner, eller sterkere elektriske felter for å akselerere dem, spesielt for elektroner. Og, eller en større ring, det gjelder alle partikler. Dette har ført til enorme maskiner som Tevatron ved Fermilab i USA som er 6 kilometer og LHC som er 27 kilometer.
– Det har blitt foreslått å bygge partikkelakseleratorer i bane rundt både månen og jorda, men det sees på som spekulativt av flere grunner. Det er kostbart å sende så mye materiale opp med romraketter – det vil i praksis være 1000–100.000 ganger så dyrt som å bygge på jorda, dog muligens bare 10–100 ganger så dyrt med gjenbrukbare romraketter.
– Partikkelfysikk krever ikke bare høy energi, men også veldig mange partikler, for å oppnå mange kollisjoner. Det betyr at man også trenger veldig mye kraft. Selv om det kanskje vil være mulig å samle solkraft i rommet, vil det være enklere og billigere å produsere de nødvendige nær-gigawatt med kraft nede på jorda.
– Til slutt kreves det høy presisjon for å få partikkelstrålene til å kollidere. Flere av magnetene trenger å posisjoneres med ned mot noen mikrometer nøyaktighet, noe som er lettere å oppnå på bakken enn i rommet. Kanskje alle disse problemene kan løses i fremtiden, men her og nå virker det enklere å bygge partikkelakseleratorer på jorda.
– Hvordan i huleste får de å til endre banene til partiklene som fyker motsatt vei av hverandre så presist at de klarer å skape forutsigbare kollisjoner på steder der det er mulig å måle akkurat hvilke utfall, og eventuelt nye partikler, som oppsto i kollisjonen?
– Partiklene som går i bane rundt i LHC, er ikke alene, men samlet i bunter av hundrevis av milliarder av partikler. Rett før kollisjonspunktene fokuseres disse buntene ned til mikrometer-skala, cirka på størrelse med en rød blodcelle. For å få disse til å kollidere, bruker man veldig presise korreksjonsmagneter, svake elektromagneter, for å flytte buntene forsiktig att og fram imens de går runde etter runde rundt LHC. Helt til de til slutt treffer hverandre.
– Sannsynligheten for at én gitt partikkel i den ene strålen treffer én gitt partikkel i den andre, er forsvinnende liten, men totalt over de mange milliarder partiklene er sannsynligheten stor. Som oftest skjer noen titalls interaksjoner. Deretter gjentas dette 40 millioner ganger i sekundet. Det fyker opptil 2800 bunter rundt samtidig i den 27 kilometer lange ringen. Dette opprettholdes i timesvis, dagevis og etterhvert årevis.
– Vi vet aldri nøyaktig hva som skjedde i en gitt partikkel-kollisjon, men basert på de partiklene som treffer detektorene rundt, kan vi sammenlikne sannsynlighetsfordelingen av ulike utfall med våre teorier. Dette er sånn vi tester om teoriene er riktige eller gale.
– Ser dere på Dr. Dons videoer på Youtube?
(Dr. Don er fra amerikanske Fermilab, som noen kanskje ser på som Cern-konkurrent?)
– Dr. Don er topp! Savner barten.
– Har tallet 42 dukket opp?
– Ja da, men hva var spørsmålet igjen?
KI sorterer data i sanntid
Vi løper videre til Inga Strümke, som er kjent for mange som KI-forsker. Hun har en doktorgrad i partikkelfysikk, og det var også i fysikken interessen for kunstig intelligens ble vakt.
– På hvilke steg i prosessen bruker de maskinlæring, og hvilke teknikker bruker de?
– Partikkelkollisjonene ved Cern genererer enorme mengder data. Maskinlæring brukes på mange måter, som å velge ut hvilke data som skal lagres for analyse, prosessering av dataene og analysering av dataene – altså finne ut hvilke partikkelprosesser dataene representerer og tilpasse de teoretiske modellene.
– Jeg synes det er sprøtt å tenke på at detektorene mottar enormt mange flere signaler enn det som kan lagres som data. Vi snakker mange petabyte i sekundet, så det er viktig å lage gode filtre for hva som er relevant å lagre. Triggersystemer velger ut de mest interessante hendelsene i sanntid, så jo bedre disse systemene er, jo større sjanse for at de viktigste dataene lagres.
– Her skjer det stadig forskning og utvikling for å forbedre maskinlæringsteknikkene. Dette blir særlig relevant for den fremtidige versjonen av LHC, den såkalte high luminosity LHC. High luminosity betyr at det vil skje flere kollisjoner og dermed lages mer data enn noen gang før. Next Generation Triggers-prosjektet ble laget spesifikt til dette formålet.
– Under min egen doktorgrad brukte jeg maskinlæring i motsatt ende av prosessen. Nemlig til å finne ut hvilke teorier som forutsier hvilke partikler og hvordan disse partiklene eventuelt kan skilles fra hverandre. Spesifikt studerte vi hvordan det vil se ut i dataene hvis universet vårt er slik at vi har ikke ett, men flere Higgs-bosoner.
– Har tid sammenheng med hvor fort elektroner beveger seg i forhold til atomkjernen? Er det derfor tiden går saktere når man nærmer seg lysets hastighet eller når man nærmer seg evig stor tyngdekraft?
– At elektroner går i bane rundt atomkjernen, litt som at jorden går i bane rundt solen, er en mental modell vi ofte lærer på skolen for å se for oss hvordan atomer er satt sammen. Fra et kvantefysisk perspektiv er det dessverre en ganske dårlig modell, for vi har skjønt at vi ikke kan se på kvantemekaniske partikler, for eksempel elektronet, som små planeter. Det er mer riktig å se for seg elektronet som en sannsynlighets-sky rundt atomkjernen. Der skyen representerer sannsynligheten for å finne et elektron der. Da gir det ikke mening å spørre om hvor fort elektronet går.
– Når det gjelder at tiden går med ulik hastighet avhengig av hva man foretar seg, handler dette om relativitetsteorien, som vi så langt ikke har klart å forene med kvantefysikken. Relativitetsteorien forteller oss at noe, la oss ta Anders, som beveger seg med høy hastighet, selv vil oppleve at tiden går helt vanlig. Men for en annen observatører i ro, som meg, Inga, vil det se ut som tiden går saktere for Anders. Tiden går altså saktere eller raskere for én observatør sammenliknet med en annen observatør – dette er greia med relativt.
Har sluppet ut for mye uran og arsen: – Vet ikke hvor lenge anleggsområdet vil være stengt
De dypeste og mørkeste spørsmålene
Fra Inga Strümke tar vi turen til teoretisk partikkelfysiker Anders Kvellestad.
– Hva synes du er det mest fascinerende ubesvarte spørsmålet i partikkelfysikken i dag?
– Så langt i fysikkhistorien har det sett ut som teoriene våre, sånn rent matematisk, blir stadig mer og mer elegante jo mer detaljert vi klarer å undersøke universet. Vår nåværende beste teori i partikkelfysikk, Standardmodellen, har en rekke symmetrier bakt inn i seg, som på en måte er matematiske uttrykk for eleganse og kompakthet.
– Hvorfor har fysikkens lover tilsynelatende så mye eleganse og struktur? Og vil denne trenden fortsette? Når vi en dag finner en teori som er enda mer presis enn Standardmodellen, vil den teorien være enda mer matematisk elegant og dyp enn Standardmodellen? Mange fysikere tror det, men vi vet ikke.
– Ja, og så spørsmålet om hva mørk materie er, da. Det hadde det vært fint å finne ut av!
– Hvor kommer universet fra?
– Det vet vi ikke. Det finnes mange interessante og spekulative ideer, som for eksempel at vårt univers er ett av mange univers i et mye større multivers, men inntil det dukker opp sterkere empirisk støtte for slike ideer, er nok «vet ikke» det ærligste svaret. Og dersom man har tro på noe sånt som multivershypotesen, blir jo neste spørsmål: Hvor kommer multiverset fra?
– Hvordan ble partiklene til? Hvor kommer de fra?
– Vet ikke! Når fysikere formulerer en ny teori, må de først anta et sett med ulike typer ting. Det kan være partikler, felt eller strenger. Og så kan de utvikle en matematisk teori for hvordan disse ulike tingene oppfører seg og påvirker hverandre. Men en slik teori vil neppe selv kunne forklare hvor disse tingene kommer fra i utgangspunktet. Kanskje har de vært der så lenge verden har eksistert?
– Standardmodellen er en matematisk teori om hvordan et sett med ulike kvantefelt oppfører seg og påvirker hverandre. Men Standardmodellen selv har ingen god forklaring på hvorfor vi trenger akkurat dette settet med kvantefelt for å beskrive vår verden. Det er et dypt og godt spørsmål!
– Får vi vite noe som helst om mørk materie i vår levetid?
– Jeg håper det, men dette er grunnforskning så det er aldri noen garantier. Når det er sagt, så har vi alt lært en god del om mørk materie i vår levetid. Takket være en rekke ulike typer eksperimenter, på Cern og andre steder, har vi kunnet forkaste et stort antall hypoteser om hva mørk materie kunne vært. Og å utelukke mulige hypoteser på denne måten dytter grunnforskningen fremover sakte, men sikkert.
– Håpet er selvfølgelig at vi ved hjelp av disse eksperimentene til slutt skal oppdage mer presist hva mørk materie faktisk er. Ikke bare si noe om hva det ikke kan være.
– Så et spørsmål fra en sur, gammel statistiker: Jobber fysikere mest med frekventistisk statistikk eller Bayesiansk statistikk?
– Det kommer nok an på hvilken gren av fysikken man ser på. Akkurat innen partikkelfysikk har frekventistisk statistikk tradisjonelt stått veldig sterkt. Jeg tror det er fordi vi ofte jobber med eksperimenter der det er naturlig å tenke at vi repeterer samme eksperiment nær uendelig mange ganger, for eksempel kolliderer vi protoner flere hundre millioner ganger i sekundet i Large Hadron Collider. Og da vil nok mange tenke at det disse eksperimentene gjør, er å måle sannsynligheter, i frekventistisk forstand. Men også innen partikkelfysikk er det i dag mye bruk av Bayesiansk statistikk — heldigvis, spør du meg.
– Hva er en pingvinprosess?
– Det er en type prosess i partikkelfysikk der Feynman-diagrammet ser litt ut som en pingvin, i hvert fall om man tegner det på en bestemt måte og myser litt. Feynman-diagram er de snodige strektegningene partikkelfysikere bruker når vi skal gjøre teoretiske beregninger.
– Hvor mange seriøse partikler er det igjen å forske på?
– Aner ikke! Og skulle vi snuble over noen useriøse partikler, skal vi nok forske litt på dem også! Og så må vi også forske enda nøyere på alle de partiklene vi kjenner fra før. For det er langt fra sikkert at de alle oppfører seg akkurat slik Standardmodellen forutsier.
– Hvordan påvirker den eksperimentelle usikkerheten i målingen av partikkelinteraksjoner ved LHC tolkningen av sjeldne hendelser, som Higgs-bosonets nedbrytningskanaler, og hva er implikasjonene for teorier som går utover Standardmodellen?
– Jo større eksperimentell usikkerhet, jo vanskeligere er det å si om en gitt hendelse antakelig skyldes en sjelden prosess, for eksempel en snodig prosess med et Higgs-boson, eller om hendelsen skyldes en mye vanligere og kjedeligere prosess der vi bare var litt uheldige med målingen. Så når usikkerheten er større, blir hver enkelt måling på en måte mindre verdt.
– Jo større usikkerheter vi har, både i eksperimentene og i de teoretiske beregningene, jo mindre sikre kan vi være på om en gitt ny teori faktisk stemmer med de nyeste målingene eller om den bør forkastes. Å utvikle nye metoder som gir oss lavere usikkerhet, er derfor enormt viktig og noe veldig mange fysikere forsker på. Det blir litt som å utvikle nye og bedre mikroskop: Det gir oss et skarpere bilde enn før av hva som skjuler seg nede i dypet av universet.
– Hvordan vet man at det er felter som er fundamentale, ikke partikler?
– Dette er faktisk et skikkelig vanskelig, skikkelig dypt og skikkelig spennende spørsmål. Standardmodellen er en såkalt kvantefeltteori, der de grunnleggende «greiene» er noen matematiske objekter vi kaller kvantefelt. I denne matematikken dukker det vi omtaler som partikler opp som svinginger i disse kvantefeltene. Så da er det lett å tenke at felt er mer fundamentale enn partikler, og kanskje er det slik.
– Men det er en komplikasjon her: Det jeg har beskrevet nå, er bare et visuelt bilde av selve matematikken. Det er ikke nødvendigvis en beskrivelse av slik verden 'er'. På grunn av det vi kaller kvantefysikkens tolkningsproblem, har fysikere og filosofer i ca. hundre år vært veldig usikre på om vi bør tolke matematikken i kvantefysikk som en direkte avbildning av virkeligheten, eller om koblingen mellom matematikken og virkeligheten-i-seg-selv er mer indirekte, for eksempel at matematikken er knyttet til vår informasjon om verden, heller enn et bilde av verden i seg selv. Selv har jeg mest tro på sistnevnte alternativ, og derfor er jeg alltid litt forsiktig med bastante utsagn av typen «konsept X er mer fundamentalt enn konsept Y».
– Kalles en mannlig partikkelfysiker i Sveits for en Cernekar?
– Fra nå av gjør de det!
Artikkelen ble først publisert på Titan.uio.no
Patent-søknader stuper: Stadig færre selskaper gjør som Jesper
