Man skulle tro, at ATLAS-eksperimentet ved CERN, verdens førende laboratorium for forskning i partikelfysik, skal fange noget stort.
Den er trods alt 25 meter høj og 46 meter lang og vejer svimlende 7.000 tons. Det gør den til den største detektor i verden.
En detektor er et instrument, der kan finde eller registrere noget, men dét, ATLAS skal finde, er ikke stort. Tværtimod.
Den gigantiske maskine skal finde subatomare partikler, eller elementarpartikler, som ikke har nogen bestanddele, da de ingen størrelse har. Det er det allermindste, vi kender til.
Midt i ATLAS’ bug vil forskerne kollidere protoner mod hinanden. Protoner er partikler i atomkernen.
Så sker der noget helt fantastisk: Når protonerne kolliderer tæt på lysets hastighed, omdannes deres energi til en sky af nye partikler.
Og i denne sky af partikler kan forskerne finde helt ny information om, hvad verden egentlig består af, og om de spilleregler, der styrer alt omkring os.
Det var netop ATLAS, der i sin tid var med til at finde den legendariske Higgspartikel.
Spørgsmålet er dog: Hvis forskerne skal finde noget så lille, hvorfor har de så brug for en detektor, der er så stor?
\ Hvad i alverden er…?
CERN? – CERN er en international organisation for forskning i partikelfysik. Centret ligger på grænsen mellem Schweiz og Frankrig og er verdens største forskningscenter for partikelfysik, kernefysik og kernekemi. Forskerne der undersøger de mindste byggesten i verden og de kræfter, der virker mellem dem. Kom med indenfor hos CERN her!
En partikelaccelerator? – Det er en maskine, der accelererer små partikler, som protoner eller elektroner, næsten helt op i lysets hastighed. Mange partikelacceleratorer er formet som store cirkler, hvor en strøm af partikler flyver rundt og rundt.
LHC? – LHC, Large Hadron Collider, er verdens største partikelaccelerator og verdens største maskine. Den er formet som en 27 kilometer lang ring, og er placeret i en tunnel 100 meter under jorden under forskningscentret ved CERN. Acceleratoren består af to luftløse rør omgivet af stærke magneter. Inde i rørene accelereres to strømme af partikler, så de roterer næsten med lysets hastighed i den modsatte retning.
En detektor? – Detektorer, der omslutter acceleratorsporet, er installeret fire steder i LHC-sporet. De er blevet navngivet ATLAS, ALICE, CMS og LHCb. Inde i detektorerne er partikelstrålerne rettet, så de partikler, der går i den modsatte retning, støder sammen. Detektorerne er designet til at registrere, hvad der sker i disse kollisioner. Det giver mere viden om, hvordan verdens byggesten og kræfter fungerer.
Higgs-partiklen? – Higgs-partiklen, eller Higgs-bosonet, er én af elementarpartiklerne, altså én af de allermindste grundlæggende byggesten, som verden er sammensat af. I 1964 forudsagde videnskabsmænd, at en sådan partikel eksisterede. I 2011 blev det endelig detekteret i ATLAS- og CMS-detektorerne på CERN. Higgs-partiklen er knyttet til et felt, der giver stoffet i verden masse.
Skal finde særlige partikler – myoner
Svaret er myoner.
Ud af kollisionerne midt i ATLAS dukker der skyer af partikler op: neutroner, elektroner, fotoner og andet fnug, som de færreste af os har hørt om.
De fleste af disse partikler bliver hurtigt absorberet af de såkaldte kalorimetre placeret inde i detektoren. Det er sådan maskinen måler partiklernes energi.
Mønstret af forskellige partikler med forskellig mængde energi og elektrisk ladning fortæller forskerne, hvad der skete i løbet af sammenstødet.
På få meter har de fleste typer partikler givet al deres energi fra sig og er nu forsvundet.
Men ikke myonerne.
Myoner lader sig ikke stoppe
Myonerne ligner elektroner – én af de mindste byggesten i universet, men de er meget, meget tungere.
Det betyder, at myonerne, i modsætning til mange af verdens øvrige byggesten, ikke bekymrer sig meget om stoffet omkring dem.
De kan flå gennem metervis af jern uden at lade sig stoppe, og de suser lige igennem kalorimetrene inde i ATLAS.
Hvis detektoren kun havde haft kalorimetrene, havde vi ikke anet det mindste om de myoner, der blev skabt ved sammenstødet, og så ville billedet af sammenstødet være langt fra komplet.
For at fange helheden, så vi kan forstå, hvordan partiklerne virker, skal myonerne med.
Og så skal der specialudstyr til. Stort specialudstyr.
Hjul så store som en 8-etagers bygning
»Både de store hjul og de små hjul registrerer myoner,« råber forsker Rachel Avramidou over den kontinuerlige larm fra utallige pumper og blæsere og andre mekaniske dele i det enorme maskineri.
Hun har arbejdet her på CERN i mere end 20 år og var i sin tid vidne til, at det gigantiske ATLAS-eksperiment blev bygget.
Nu peger hun på et af de store hjul – en 25 meter høj skive, der tårner sig op foran os. Havde det været en boligblok, ville den rage mindst otte etager op i luften.
Med en diameter på 10 meter er de små hjul heller ikke lige til at overse.
Alex Tuna, postdoc ved CERN, peger på ét af dem bag stilladset, som forskerne bruger, når de laver de sidste finjusteringer, inden maskineriet for alvor skal sættes i gang.
Alex Tuna er én af mange forskere, der har været med til at bygge en helt ny version af de to små hjul i ATLAS. Det sidste af dem blev sænket til jorden og sat på plads for blot et par uger siden.
Nu forklarer han sammen med Rachel Avramidou, hvordan de fungerer.
Kan detektere myoner
Myonerne fra kollisionen midt i ATLAS flyver først gennem flere forskellige kalorimetre sammen med de andre partikler. Her stopper elektroner, neutroner og andre partikler på skift. Men myonerne fortsætter.
Når man kommer langt nok ud fra kollisionen, har detektoren absorberet alt andet end myoner (og nogle bittesmå spøgelsespartikler kaldet neutrinoer, men det er en anden historie, som må vente til en anden gang).
Det er herude, langt fra selve sammenstødet, at de små hjul sidder. Inde i dem er der tusindvis af meget følsomme sensorer, der i princippet kan registrere de fleste typer partikler.
»Men i praksis er det kun myoner, som når så langt væk fra sammenstødet,« forklarer Rachel Avramidou.
På denne måde ved forskerne, at enhver partikel, der kan registreres her, er en myon. De små hjul er også lavet, så de registrerer nøjagtigt, hvor myonen passerede.
Nu ved forskerne, at myonen er der, og hvor den er på vej hen, men det er ikke nok til at få et virkeligt billede af, hvad der skete ved sammenstødet.
Det, der er mindst lige så vigtigt, er myonens såkaldte bevægelsesmængde – et mål for en tings hastighed og masse. Det er her, de store hjul kommer ind – plus noget andet og helt gigantisk.
Verdens største magnet
»Det er end-cap-toroiden,« fortæller Rachel Avramidou og peger.
Midt i det enorme mellemrum mellem det store og det lille hjul står en meget tung, tandhjulformet tingest på et orange stillads.
Når forskerne tænder for strømmen, er den i stand til at skabe et helt usandsynligt stærkt magnetfelt. Det samme er tilfældet med tønde-toroiden, som består af enorme rørformede rektangler, der strækker sig tværs igennem ATLAS.
ATLAS’ tønde-toroid vejer 830 tons og er faktisk verdens største elektromagnet.
Alt dette vanvittige magnetiske udstyr er her af én grund: Myonerne har tilfældigvis ektromagnetisk ladning.
Bøjer baner
Myonens elektromagnetisk ladning betyder, at en myon, der suser gennem et stærkt magnetfelt, ikke vil bevæge sig ligeud. I stedet vil den magnetiske kraft bøje myonens bane lidt til siden.
Præcis hvor meget, myonens vej bøjer, afhænger af, hvor meget bevægelsesmængde den har.
Logisk nok: Jo mindre masse og hastighed partiklen har, desto mere vil de magnetiske kræfter være i stand til at bøje dens bane. Det gør forskerne brug af.
De myoner, der har passeret det lille hjul, er nu bøjet af på vej gennem magnetfeltet, inden de rammer det store hjul – som også er propfyldt med myondetektorer.
Nu kender forskerne træfpunktet i begge hjul, og ud fra det kan de beregne både myonens bane samt bevægelsesmængde.
Så har detektoren endelig skaffet nok informationer til at kunne sige, hvad der skete ved sammenstødet; altså det billede, man skal bruge, for at kunne opdage alt fra nye egenskaber ved kendte partikler til helt ny fysik, som Higgs-partiklen.
Ingeniørmæssigt mareridt
For at ATLAS kan udføre sin opgave, skal det være gigantisk, men samtidig følsomt og præcist ned på mikrometerniveau.
Med andre ord, et ingeniørmæssigt mareridt.
Udstyret, maskinen er opbygget af, er en blanding af hyldevarer fra industrien og specialdesignede instrumenter og dele, som ikke findes andre steder.
»Det her er et samarbejde mellem mange universiteter, der laver hver deres dele, som så sættes sammen til en detektor,« siger Vilde Flognfeldt Rieker fra Universitetet i Oslo, der netop er startet på sin ph.d. ved CERN.
Meget af teknologien – som de store hjul – har været her, siden ATLAS-eksperimentet stod færdigt i 2008.
Tanken er, at de skal virke i yderligere 15 til 20 år med en del opgraderinger af systemerne.
Testet, dobbeltestet og tredobbelt testet
Alt i ATLAS-eksperimentet er konstrueret til at holde. Hver eneste lille del er testet, dobbelttestet og tredobbelttestet, forklarer Rachel Avramidou.
Det kan Alex Tuna bekræfte. I de seneste år har han og hundredvis af andre forskere arbejdet på de nye små hjul.
Siden slutningen af 2018 har der været et planlagt aktivitetsstop i partikelacceleratoren Large Hadron Collider (LHC); den enorme, cirkulære accelerator, der accelererer de protonerne, der bevæger sig ind i ATLAS.
LHC er ved at blive opgraderet, så den inden længe vil give 10 gange flere kollisioner i sekundet i detektoren.
De gamle små hjul ville ikke kunne klare så store mængder.
‘Skrækslagen’
Alex Tuna har været involveret i hele processen med at designe, bygge og teste dele af de nye små hjul. I lang tid arbejdede han med udstyret i laboratoriet på overfladen, men for nylig blev det sidste hjul sat på plads i ATLAS.
Nu er det meget sværere at komme til at fikse ting, der ikke virker. Og snart, mod slutningen af året, skal alt fungere.
Så lukker detektoren, så driften kan starte, og der kan ikke ændres noget i lang tid.
Derfor skal udstyret være testet yderst omhyggeligt.
Men kan sådan en enorm bunke teknologi virkelig fungere perfekt?
»Absolut ikke,« siger Alex Tuna.
»Der er mange ting, som bliver ødelagt, men ét af principperne i designet er, at der altid skal være mange dele, der gør det samme. Så lægger man ikke mærke til, at en enkelt del er beskadiget.«
»Jeg er skrækslagen«
Alligevel bliver forskere meget nervøse, når deadline nærmer sig.
»Jeg er skrækslagen,« spøger Alex Tuna.
Men der er ikke meget, der tyder på, at det skræmmer ham fra at arbejde med detektorer i verdensklasse.
»Jeg har arbejdet med både software og hardware, men jeg tror, jeg foretrækker hardware,« siger han.
»Det er meget sværere, og det er det, der begrænser eksperimenterne mest.«
Grundforskning i fysik er meget afhængig af, at nogen faktisk er i stand til at bygge det udstyr, der er nødvendigt for at udføre denne type eksperiment, men ikke mange har en sådan ekspertise inden for hardware og elektronik.
»Det tiltaler mig at bidrage til den ekspertise,« slutter Alex Tuna.
©Forskning.no. Oversat af Stephanie Lammers-Clark. Læs den oprindelige artikel her.
