CERN: Hvorfor smadrer forskerne partikler mod hinanden?
Forskere sender partikler mod hinanden med enorm hastighed i en kæmpe ring dybt under den schweiziske landjord, men hvad er meningen med galskaben egentlig?

Omkring 100 meter under de franske jurabjerge suser partikler gennem rør, der strækker sig på tværs af landegrænserne mellem Frankrig og Schweiz. (Foto: Asbjørn Mølgaard Sørensen.)

Omkring 100 meter under de franske jurabjerge suser partikler gennem rør, der strækker sig på tværs af landegrænserne mellem Frankrig og Schweiz. (Foto: Asbjørn Mølgaard Sørensen.)

 

Du har måske hørt om Higgs-partiklen, om antistof eller om Big Bang-teorien. Det er alle tre varme emner på det verdenskendte forskningscenter CERN, hvor forskerne starter hver anden sætning med ordet ’partikelfysik’.

Men hvordan undersøger man den slags – og hvorfor? Det har en læser undret sig over.

Ugens spørgsmål har sendt ’Spørg Videnskaben’ lidt længere væk end normalt. Vi er nemlig taget til Schweiz for at give dig et kig bag kulissen hos CERN, så vi kan besvare denne læsers undren:

»Hej, jeg hedder Louise Hesseldahl, og jeg er en læser af Videnskab.dk. Jeg kunne godt tænke mig at få et svar på, hvad CERN gerne vil finde ved at få protonerne i deres rør til at presses sammen?«

Det er et stort spørgsmål, men CERN har heldigvis adskillige danske forskere, der undersøger partikler på netop denne måde. Her kommer deres forklaringer.

CERN-forskere smadrer protoner og opdager nye partikler

En af de forskere, der kigger på partikelsammenstød, er Troels C. Petersen. Han er fysiker på Niels Bohr Institutet i København, men i øjeblikket arbejder han på projekt ATLAS på CERN, hvor man studerer protoner, der kolliderer med hinanden ved høj fart. Du kan se hele processen illustreret i videoen ovenfor.

»Når partikler kolliderer med hinanden ved så høj fart, som de gør i partikelacceleratoren, så smadres de under enorme temperaturer og bliver til andre partikler. Det gør os i stand til at studere de allermindste bestanddele i universets forskellige byggesten,« siger Troels C. Petersen.

Videoen er lavet af ATLAS Experiment på CERN

Det er nemlig sådan, at de partikler, man undersøger på CERN, er så små, at forskerne ikke kan undersøge dem enkeltvis, fordi de hænger sammen i større enheder.

Derfor er man nødt til at ødelægge enhederne, så man kan se, hvad de består af.

Problemet er bare, at de samler sig lynhurtigt igen, og derfor smadrer forskerne protoner igen og igen, så de kan få data nok til at studere de mindste partikler.

Det var på den måde, at forskere på CERN opdagede en Higgs-partikel tidligere på året. Higgs-partiklen findes kun i én ud af en billion sammenstød mellem to protoner, og det er et godt eksempel på, hvorfor forskerne er nødt til at foretage protonsammenstød igen og igen, når de forsøger at opdage nye partikler. Læs mere om dette i boksen under artiklen.

Hvordan ser man partikler?

Partikler er alt for små til, at mennesket kan se dem. Så hvordan studerer man noget, man ikke kan se?

Under en kollision stråler partiklerne ud i alle retninger inde i partikelacceleratorens rør. På de områder, hvor partiklerne kolliderer, har forskerne på CERN bygget store detektorer, der kan måle, hvilke partikler der rammer dem.

»Man kan ikke få selve kollisionen at se, for det sker lynhurtigt, men detektorerne fanger, hvad der er sket, og så er det vores opgave at stykke puslespillet sammen igen, lidt ligesom en detektiv ved et gerningssted, og undersøge, hvilke processer der er foregået,« siger Børge Svane Nielsen, der er fysiker på Niels Bohr Instituttet.

Fakta

Plasma Stof kan opdeles i fire forskellige tilstande. Fast form, flydende form, gasform og plasma. Plasma opfører sig normalt som en meget energirig gas, men plasmaen i ALICE-projektet opfører sig faktisk mere som en væske. Forskerne ved endnu ikke helt hvorfor. Når to atomer kolliderer ved høj fart, så ødelægges de, og nyt stof opstår af energien. At energi og masse er tæt forbundne blev i sin tid forklaret af selveste Albert Einstein med den berømte ligning: E=Mc^2

Han arbejder på projektet ALICE, A Large Ion Collider Experiment, hvor han undersøger, hvad der sker, når man sender to hele atomkerner på kollisionskurs.

Atomkollisioner genskaber universets begyndelse

Når man smadrer protoner, er det lettere at studere de enkelte processer, end hvis man brugte hele atomkerner. Det er fordi, der simpelthen er færre partikler, og derfor kan man lettere opdage, hvis der sker noget usædvanligt.

»Når vi sender et proton mod et andet proton, og der kommer en usædvanlig partikel ud og rammer en af vores detektorer, så ved vi, at der er sket noget, som er værd at kigge på. Men når man sender to atomkerner mod hinanden, så er der så mange partikler, at det er sværere at opdage de usædvanlige partikler,« siger Troels C. Petersen.

Men der er alligevel forskere, som kigger på kollisioner mellem hele atomkerner. En af dem er Ian Bearden, der også er fysiker på Niels Bohr Institutet. Han arbejder på projekt ALICE, hvor forskere sender hele bly-atomer på kollisionskurs. Her smadres atomkernerne fuldstændig, og nyt stof opstår.

»Atomkernerne kommer med noget nær lysets hast, og de smadres først lidt efter, at de har ramt hinanden. I feltet mellem de to atomkerner opstår der en energirig plasma, som bliver til nye partikler. Det er også sådan, vi forestiller os de første øjeblikke i universet efter Big Bang, hvor ren energi bliver til stof,« siger Ian Bearden.

Det er sværere at studere de enkelte bestanddele, når man smadrer hele atomkerner i stedet for enkelte protoner, men det er ifølge Ian Bearden heller ikke meningen.

»I vores projekt kigger vi på den større sammenhæng og ikke bare de enkelte partikler. Der er meget mere stof at gøre godt med, når vi arbejder med hele atomkerner, og det gør os i stand til at studere, hvordan stof med ekstremt høj energitæthed eller temperatur, som det havde lige efter Big Bang, opfører sig,« siger han.

Partikelforskning giver teknologiske fremskridt

En kæmpe magnet sørger for, at atomkernerne kolliderer på det rigtige sted i ALICE-detektoren, så forskerne får de bedst mulige data. (Foto: Asbjørn Mølgaard Sørensen).

Ifølge det amerikanske Forbes Magazine har det kostet 13,25 milliarder dollars at finde Higgs-partiklen - men hvorfor skal man bruge milliarder på forskning i partikelfysik?

»Det er nysgerrighed, der driver os. Vi vil gerne vide, hvor vi kommer fra, og hvordan verden hænger sammen, men der er også kommet mange gode tekniske gevinster ud af vores forskning, og sammenligner man os med forskning i astronomi, så er vi jo ikke så slemme rent økonomisk,« siger Børge Svane Nielsen.

Foruden sin forskning, så er CERN også internationalt berømt for sine opfindelser. Tim Berners-Lee, en konsulent ansat ved CERN, opfandt i sin tid internettet, World Wide Web, og teknikkerne i touch-screens og hjerneskannere er også udviklet af CERN-ansatte.

»Historisk set, så har vores nye forsøg og opdagelser ført til nye teknikker hver eneste gang,« siger han.

Vi siger tak til forskerne for deres svar, og selvfølgelig også tak til vores læser, Louise Hesseldahl, der får tilsendt en fysisk T-shirt, der forhåbentlig ikke kolliderer med noget på vejen.

Hvis du også vil vinde en t-shirt, kan du sende os et spørgsmål til redaktionen@videnskab.dk. Du kan også læse flere spørgsmål og svar i Videnskab.dk’s bog ’Hvad gør mest ondt – en fødsel eller et spark i skridtet?’, hvor vi har samlet 77 af de bedste.

Jagten på Higgs

Nogle partikler har en masse, mens andre ikke har. Det har man vidst længe, men man har ikke vidst hvorfor. I 1964 forsøgte Peter Higgs og hans forskergruppe at forklare, hvad der kunne være på spil. De mente, at der måtte være et usynligt felt overalt, som gav visse partikler masse. Det felt kaldte de for ’Higgs Field’.

Hvis et sådant felt eksisterede, måtte der også være nogle partikler, som udsprang af feltet og påvirkede andre partikler ved at give dem en masse. Den type partikel kaldte man for ’Higgs-bosonen’.

Indtil nu har det blot været en teori, men i år lykkedes det forskere på CERN at finde en Higgs-partikel, der tilsyneladende opfører sig, som det blev forudsagt for 49 år siden.

Partikelfysikere arbejder ud fra en overordnet teori kaldet ’Standardmodellen’. Den er for fysikere, hvad evolutionsteorien er for biologer, men der er stadig flere huller i teorien, som endnu ikke er opklarede. Hvis man aldrig havde fundet Higgs-partiklen, så skulle man måske gentænke alle fysikkens grundregler.

Uden Higgs-partiklen ville partikler ikke kunne hænge sammen, men flyve frit rundt i alle retninger. Fotoner (lys) er en af den slags partikler, som ikke påvirkes af Higgs-feltet, og de har derfor ingen masse.

Hej! Vi vil gerne fortælle dig lidt om os selv

Nu hvor du er nået helt herned på vores hjemmeside, er det vist på tide, at vi introducerer os.

Vi hedder Videnskab.dk, kom til verden i 2008 og er siden vokset til at blive Danmarks største videnskabsmedie med 1 million brugere om måneden.

Vores uafhængige redaktion leverer dagligt gratis forskningsnyheder og andet prisvindende indhold, der med solidt afsæt i videnskabens verden forsøger at give dig aha-oplevelser og væbne dig mod misinformation.

Vores journalister fortæller historier om både kultur, astronomi, sundhed, klima, filosofi og al anden god videnskab indimellem - i form af artikler, podcasts, YouTube-videoer og indhold på sociale medier.

Vi stiller meget høje krav til, hvordan vi finder og laver vores historier. Vi har lavet et manifest med gode råd til at finde troværdig information, og vi modtog i 2021 en fornem pris for vores guide til god, kritisk videnskabsjournalistik.

Vores redaktion gør en dyd ud af at få uafhængige forskere til at bedømme betydningen af nye studier, og alle interviewede forskere citat- og faktatjekker vores artikler før publicering.

Hvis du går rundt og undrer dig over stort eller småt, vil vi elske at høre fra dig og forsøge at give dig svar med forskernes hjælp. Send bare dit spørgsmål til vores brevkasse Spørg Videnskaben.

Vi håber, at du vil følge med i forskningens forunderlige opdagelser her på Videnskab.dk.

Få et af vores gratis nyhedsbreve sendt til din indbakke. Du kan også følge os på sociale medier: Facebook, Twitter, Instagram, YouTube eller LinkedIn.

Med venlig hilsen

Videnskab.dk

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.

Danske corona-tal

Videnskab.dk går i dybden med den seneste corona-forskning. Læs vores artikler i temaet her.

Hver dag opdaterer vi også de seneste tal.

Dyk ned i grafer om udviklingen i antal smittede, indlagte og døde i Danmark og alle andre lande.

Ny video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's videojournalister med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.


Ugens videnskabsbillede

Se flere forskningsfotos på Instagram, og læs om astronautens foto af polarlys, som du kan se herunder.