partikelfysik-del5

Denne side er et supplement til
**BioNyt – Videnskabens Verden** nr. 148.
Du kan tegne abonnement på **//BioNyt: Videnskabens verden//** **her!**

BioNyt nr.148: Om partikelfysik i CERN

Køb bladet

SVAR på spørgsmål om PARTIKELFYSIK:

Index til denne side:

[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp#CERNS svar|Del 1: CERN's svar på spørgsmål inspireret af Dan Browns bog Engle og Dæmoner]]

Del 2: Spørgsmål inspireret af Large Hadron Colliders (LHC) opstart d. 30. marts 2010 efter reparation:
Acceleratorer
ALICE-detektoren
Antielektroner
Antipartikler
Antiprotoner
Atomet
Baryon

Bosoner

[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp#CERN før LHC|CERN før LHC]]
CMS-detektoren
Databehandling
D-branes
[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp#Den elektromagnetiske kraft|Den elektromagnetiske kraft]]
[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp#Den elektrostærke kernekraft|Den elektrostærke kernekraft]]
[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp#Den elektrosvage kernekraft|Den elektrosvage kernekraft]]
Dimensioner
Driftuheld
Elektronen
Elementarpartikler
Fermioner
Fotonen
[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp#Fundamentale kræfter|Fundamentale kræfter]]
[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp#Fundamentale partikler|Fundamentale partikler]]
[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp#Fælles teori|Fælles teori]]
Gauge-teorier
GeV
Gluon
Gravitationskraften

Gravitonen

Gudepartiklen
Hadroner
Hierarkiproblemet
Higgs-feltet
Higgs-massen
Higgs-mekanismen
Higgs-partiklen
Isotop
[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp#Kaluza-Klein teori|Kaluza-Klein teori]]
Kaoner
[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp#Kemisk forbindelse|Kemisk forbindelse]]
Kiralitetsproblemet
KK-teori
Kollisioner
[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp#Kosmologiske problem, Det|Kosmologiske problem, Det]]
[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp#Kræfter|Kræfter]]
Kvanteproblemet
Kvarken
Ladning
[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp#Large Hadron Collider|Large Hadron Collider]]
LEP-acceleratoren

Leptoner

Del 1: Spørgsmål inspireret af Dan Browns roman "Engle og dæmoner" (Angels and Demons, 2000):

[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp#Ligger CERN i Schweiz?|Ligger CERN i Schweiz? ]]
[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp#Hvad betyder forkortelsen CERN?|Hvad betyder forkortelsen CERN? ]]
[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp#Består CERN af røde murstensbygninger med videnskabsfolki hvide kitler, der løber rundt med stakke af papirer?|Består CERN af røde murstensbygninger med videnskabsfolki hvide kitler, der løber rundt med stakke af papirer? ]]
[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp#Eksisterer antistof?|Eksisterer antistof? ]]
[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp#Hvordan bliver antistof opbevaret?|Hvordan bliver antistof opbevaret? ]]
[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp#Hvad er den fremtidige anvendelse af antistof?|Hvad er den fremtidige anvendelse af antistof? ]]
[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp#Findes der antistof-atomer?|Findes der antistof-atomer? ]]
[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp#Kan vi håbe på at kunne bruge antistof som en kilde til energi? Vil antistof kunne drive køretøjer i fremtiden?|Kan vi håbe på at kunne bruge antistof som en kilde til energi – vil antistof f.eks. kunne drive køretøjer i fremtiden? ]]
[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp#Jeg håbede på, at antistof ville være fremtidens svar på vores energibehov. Det virker som om der kræves meget forskning for at dette kan ske.|Jeg håbede på, at antistof ville være fremtidens svar på vores energibehov – men det virker som om der kræves meget forskning for at dette kan ske. ]]
[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp#Kan man lave antistofbomber?|Kan man lave antistofbomber? ]]
[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp#Hvorfor har antistof ikke fået opmærksomhed i medierne?|Hvorfor har antistof ikke fået opmærksomhed i medierne? ]]
[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp#Er antistof virkelig 100% effektiv?|Er antistof virkelig 100% effektiv? ]]
[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp#Laver CERN antistof som beskrevet i bogen Angels and Demons (Engle og dæmoner)?|Laver CERN antistof som beskrevet i bogen Angels and Demons (Engle og dæmoner)? ]]
[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp#Hvorfor bygger man så den LHC?|Hvorfor bygger man så den LHC? ]]
[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp#Har CERN en partikelaccelerator, der er 27 km lang?|Har CERN en partikelaccelerator, der er 27 km lang? ]]
[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp#Hvorfor laver man antistof på CERN?|Hvorfor laver man antistof på CERN? ]]
[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp#Hvordan udvindes energi fra antistof?|Hvordan udvindes energi fra antistof? ]]
[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp#Hvor sikker er antistof?|Hvor sikker er antistof? ]]
[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp#Har CERN protokoller for at holde offentligheden sikker?|Har CERN protokoller for at holde offentligheden sikker? ]]
[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp#Indeholder et gram antistof samme mængde energi som en 20 kiloton atombombe?|Indeholder et gram antistof samme mængde energi som en 20 kiloton atombombe? ]]
[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp#Har CERN's forskere faktisk opfundet internettet?|Har CERN's forskere faktisk opfundet internettet? ]]
[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp#Har CERN en X-33 spaceplane?|Har CERN en X-33 spaceplane? ]]

Del 1: Spørgsmål inspireret af Dan Browns roman "Engle og dæmoner" (Angels and Demons, 2000):

[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp# Ligger CERN i Schweiz?|Ligger CERN i Schweiz? ]]
En del af CERN ligger i Schweiz, en anden del er i Frankrig, hen over grænsen mellem de to lande. CERN er ikke et schweizisk institut, men en international organisation, der har hovedkvarter tæt på Genève's internationale lufthavn.

[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp# Hvad betyder forkortelsen CERN?|Hvad betyder forkortelsen CERN? ]]
Det er en lang historie, men navnet CERN er afledt af det franske "Conseil Européen pour la Recherche nucléaire«.

[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp# Består CERN af røde murstensbygninger med videnskabsfolki hvide kitler, der løber rundt med stakke af papirer?|Består CERN af røde murstensbygninger med videnskabsfolki hvide kitler, der løber rundt med stakke af papirer? ]]
Nej, det er temmelig langt fra virkeligheden. CERN har for det meste hvide bygninger af beton, og forskerne på CERN har hverdagstøj på, og i de fleste tilfælde bærer de ikke rundt på stakke af papirer.

[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp# Eksisterer antistof?|Eksisterer antistof? ]]
Ja, det gør det, og man producerer det rutinemæssigt på CERN. Antistof blev forudsagt af P.A.M. Dirac i 1928, og de første antipartikler blev opdaget kort efter af Carl Anderson. CERN er ikke det eneste forskningsinstitut i verden, hvor man producerer og studerer antistof.

[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp# Hvordan bliver antistof opbevaret?|Hvordan bliver antistof opbevaret? ]]
Det er meget vanskeligt at opbevare antistof, fordi enhver kontakt mellem en partikel og dens anti-partikel fører til begges totale udslettelse.

For elektrisk ladede antistofpartikler ved vi, hvordan man opretholder sådanne antistof-partikler ved hjælp af »elektromagnetiske fælder«. Disse fælder gør det muligt at opbevare op til ca. 1012 antipartikler med den samme ladning. Men partikler med samme ladning frastøder hinanden. Så det er ikke muligt at opbevare en meget større mængde af f.eks. antiprotoner, fordi de frastødende kræfter mellem anatistof-partiklerne vil blive for stærke for, at de elektromagnetiske felter kan holde dem væk fra væggene.

For elektrisk-neutrale anti-partikler eller neutrale anti-atomer er situationen endnu vanskeligere. Det er nemlig umuligt at bruge konstant elektriske og magnetiske felter til at opbevare neutralt antistof, fordi disse felter ikke har styr på partiklerne overhovedet. Forskerne arbejder på ideer om at bruge »magnetiske flasker« (med ikke-homogene magnetfelter, der påvirker det magnetiske moment), eller »optiske fælder« (ved hjælp af lasere), men sådanne løsninger er stadig under udvikling.

[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp# Hvad er den fremtidige anvendelse af antistof?|Hvad er den fremtidige anvendelse af antistof? ]]
Anti-elektroner (også kaldt positroner) anvendes allerede i PET-scannere i lægevidenskaben (Denne scanningsteknik kaldes Positron Emission Tomografi = PET). En dag kan det være, at det endda bliver muligt at bruge antiprotoner til bestråling af kræftsvulster.

Men antistof på CERN bruges primært til at studere naturens love. CERN-forskerne studerer f.eks. spørgsmålet om symmetri mellem stof og antistof. LHCb-eksperimentet vil sammenligne henfaldet af b-kvarker og anti-b-kvarker. Med tiden håber man også at kunne bruge anti-hydrogenatomer som højpræcisionsværktøjer.

[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp# Findes der antistof-atomer?|Findes der antistof-atomer? ]]
Holdet bag PS210-eksperimentet på Low Energy Antiproton Ring (LEAR) på CERN frembragte de første anti-hydrogenatomer i 1995. I år 2002 havde man i to forsøgsdesign (ATHENA og ATRAP) held med at producere titusindvis af antihydrogenatomer, senere endda millioner af dem. Men selv om "titusinder" kan lyde af mange, er det faktisk en meget, meget lille mængde. Man ville skulle have 10.000.000.000.000.000 gange så meget for at have nok med anti-hydrogen til at kunne fylde en legetøjsballon med antibrint! Hvis vi på en eller anden måde kunne opbevare vores daglige produktion, ville det tage os flere milliarder år at fylde ballonen. Men universet har kun eksisteret i 13,7 milliarder år. Så scenariet i bogen Engle og Dæmoner er ren fiktion.

[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp# Kan vi håbe på at kunne bruge antistof som en kilde til energi? Vil antistof kunne drive køretøjer i fremtiden?|Kan vi håbe på at kunne bruge antistof som en kilde til energi? Vil antistof kunne drive køretøjer i fremtiden? ]]
Der er ikke mulighed for at bruge antistof som energikilde. I modsætning til solenergi, kul eller olie forekommer antistof ikke i naturen. Vi ville først være nødt til at fremstille hver enkelt antistofpartikel, og vi ville være nødt til at investere (meget) mere energi, end vi får igen under antistoffets udslettelse hvor antistoffet møder sit modsat-ladede stof.

Man kan forestille sig antistof som et lagringsmedie for energi, nærmest som man oplagrer elektricitet i genopladelige batterier. Processen med at oplade batteriet er reversibel, dvs. at opladningen kan foretages igen og igen, med relativt små tab. Alligevel vil det, når der er tale om antistof, kræve mere energi at "oplade batteriet", end man får tilbage.

Ineffektiviteten ved antistof-produktion er enorm: Man får kun en tiendedel af en milliard (dvs. 10-10 ) af den investerede energi tilbage. Hvis man kunne samle al det antistof, som man i alt har lavet på CERN og tilintetgøre dette ved at bringe det sammen med dets modsat-ladede stof, ville man kun få energi nok til at tænde en enkel elektrisk pære i nogle par minutter.

[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp# Jeg håbede på, at antistof ville være fremtidens svar på vores energibehov. Det virker som om der kræves meget forskning for at dette kan ske.|Jeg håbede på, at antistof ville være fremtidens svar på vores energibehov. Det virker som om der kræves meget forskning for at dette kan ske. ]]
Nej, endnu mere forskning ville ikke kunne ændre denne situation fundamentalt: Antistof er bestemt ikke i stand til at løse vores energiproblemer. Først og fremmest kræver det energi at fremstille antistof (E = mc2), og desværre får man ikke den samme mængde energi tilbage igen. Tabene er enorme, som nævnt ovenfor.

Desuden følger omdannelsen fra energi til stof og antistofpartikler visse naturlove, som også tillader produktion af mange andre, men meget kortlevende partikler og antipartikler (f.eks myoner, pioner, neutrinoer). Disse partikler henfalder hurtigt under produktionsprocessen, og deres energi går derved tabt.

Antistof kan kun blive en kilde til energi, hvis man kunne finde en stor mængde antistof liggende et eller andet sted (f.eks. i en fjern galakse), på samme måde som vi finder olie og ilt liggende rundt omkring på Jorden. Men så vidt vi kan se (og vi kan se milliarder af lysår væk), er universet udelukkende fremstillet af normalt stof, og antistof kan man kun skabe med meget besvær.

I øvrigt viser dette, at symmetrien mellem stof og antistof som anført ovenfor ikke synes at holde ved meget høje energier, som kort efter Big Bang, da der ellers burde være lige så meget stof som antistof i Universet. Fremtidig forskning kan måske fortælle os, hvordan denne asymmetri opstod.

[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp# Kan man lave antistofbomber?|Kan man lave antistofbomber? ]]
Nej, det ville tage milliarder af år at producere nok antistof til en bombe med samme ødelæggende evne som en 'typisk' brintbombe, som der allerede findes mere end titusinder af.

Sociologisk bemærkning: Forskere indså, at atombomben var en reel mulighed mange år før den rent faktisk blev bygget og eksploderede, og da det skete blev offentligheden fuldstændig overrasket og forbløffet. På den anden side antager offentligheden muligheden af at lave en antistof-bombe, mens forskerne for lang tid siden har erkendt, at dette ikke kan realiseres i praksis.

[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp# Hvorfor har antistof ikke fået opmærksomhed i medierne?|Hvorfor har antistof ikke fået opmærksomhed i medierne? ]]
Antistof (i partikelfysisk forstand) har modtaget en masse opmærksomhed i medierne, men normalt kun i den videnskabelige presse. Desuden er antistof ikke »nyt«. Antipartikler har været kendt og undersøgt i 75 år. Det nye er muligheden for at kunne producere anti-brintatomer, men det er også mest af akademisk interesse.

[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp# Er antistof virkelig 100% effektiv?|Er antistof virkelig 100% effektiv? ]]
Det afhænger af, hvad der menes med "effektiv". Hvis man starter med to lige store mængder m/2 af stof og m/2 af antistof, så er energiproduktionen naturligvis nøjagtig E = mc2. Masse omdannes til energi med 100% effektivitet.

Men dette er ikke pointen. Spørgsmålet er, hvor stor en indsats, man må gøre, for at få m/2 gram antistof? Teoretisk vil det være E = mc2, fordi halvdelen af energien bliver til normalt stof. Så du vinder ingenting.

Men processen med at skabe antistof er meget ineffektiv. Når man spreder energi i partikler med masse dannes mange forskellige – også kortvarige – partikler og antipartikler. En stor del af energien går tabt, og en masse af de stabile antistof-partikler (f.eks. positroner og antiprotoner) forsvinder bort, før man ville kunne nå at fange dem. Alt sker ved næsten lysets hastighed, og de dannede partikler farer ud i alle retninger. Det svarer til når man varmer mad over et bål – det meste af varmen går tabt og bruges ikke til at varme maden, men forsvinder bort som stråling i den mørke nattehimmel. Meget ineffektivt.

[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp# Laver CERN antistof som beskrevet i bogen Angels and Demons (Engle og dæmoner)?|Laver CERN antistof som beskrevet i bogen Angels and Demons (Engle og dæmoner)? ]]
Nej. Produktionen og lagringen af antistof på CERN er slet ikke som beskrevet i bogen: Man kan ikke stå ved siden af Large Hadron Collider (LHC), og se det komme ud. (LHC acceleratoren var i øvrigt endnu ikke i drift, da bogen udkom).

For at lave antiprotoner laver man sammenstød mellem protoner ved næsten lysets hastighed (for at være præcis sker det ved en kinetisk energi på omkring 25 GeV) mod en blok af metal, f.eks. kobber eller wolfram. Disse sammenstød producerer et stort antal partikler, hvoraf nogle er antiprotoner. Kun antiprotonerne er nyttige, og faktisk kun de antiprotoner, der flyver ud i den rigtige retning. Så meget af energien går tabt: Det er som at forsøge at vande en urtepotte med blomster ved hjælp af en sprinkler, der sprøjter ud over hele haven. Selvfølgelig arbejder man hele tiden med at finde på nye tricks for at blive mere effektive til at indsamle antipartikler, men på det niveau, som elementarpartiklerne befinder sig, er det meget vanskeligt.

[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp# Hvorfor bygger man så den LHC?|Hvorfor bygger man så den LHC? ]]
Årsagen til at man har bygget LHC-acceleratoren er ikke for at lave antistof, men for at frembringe en energikoncentration, der er høj nok til at studere virkninger af sammenstødene, som kan hjælpe med til, at man kan forstå nogle af de stadig ubesvarede spørgsmål inden for fysikken. Man taler her om koncentrationer af energi, fordi der ikke er tale om store mængder af energi, men altså om en enorm koncentration af energi. Hver partikel, der accelereres op i hastighed i LHC-acceleratoren, bærer en mængde energi svarende til det, som en flyvende myg har. Altså ikke ret meget i absolutte tal, men det vil være koncentreret inden for et yderst lille område, og i dette område vil tingene ligne situationen i universet meget kort tid (omkring en billiontedel af et sekund) efter Big Bang.

Man kan sammenligne koncentrationens virkning med, hvad man kan lære om kvaliteten af et trægulv ved at gå hen over det. Hvis en stor mand, der er iført normale sko, og en lille kvinde, der er iført skarpe stilethæle, går hen over det samme gulv, vil manden ikke lave buler, men kvinden vil, trods sin lavere vægt, måske efterlade tydelige mærker, idet trykket, som stilethælene danner mod gulvet, er langt højere. Så dette er ligesom opgaven for LHC: nemlig at koncentrere lidt energi på en meget lille plads for at frembringe en enorm energikoncentration og derved lære noget om Big Bang.

[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp# Har CERN en partikelaccelerator, der er 27 km lang?|Har CERN en partikelaccelerator, der er 27 km lang? ]]
LHC-acceleratoren er en ring, der er 27 kilometer i omkreds. Den er monteret i en tunnel, der befinder sig ca. 100 m under jorden. Man kan se det runde omrids af tunnelen som en markering på kort over området.

[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp# Hvorfor laver man antistof på CERN?|Hvorfor laver man antistof på CERN? ]]
Den væsentligste årsag er for at studere naturens love. De nuværende teorier i fysik forudsiger en række af subtile virkninger af antistof. Hvis man i forsøgene ikke ser disse forudsigelser, så er teorien ikke helt korrekt og må ændres eller omarbejdes. Det er sådan videnskab skrider frem.

En anden grund er for at få meget høj energitæthed ved sammenstød mellem stof og antistofpartikler, da de tilintetgøres helt, når de mødes. Fra denne udslettelsesenergi kan andre interessante partikler blive skabt. Det var først og fremmest på denne måde, Large Electron Positron (LEP) ("den store elektronpositron-accelerator") fungerede på CERN indtil 2000, og det er den måde Tevatron-acceleratoren opererer på ved Fermilab nær Chicago.

[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp# Hvordan udvindes energi fra antistof?|Hvordan udvindes energi fra antistof? ]]
Når en normal stof-partikel rammer en antistof-partikel, udsletter de gensidigt hinanden i en meget koncentreret dannelse af ren energi, ud fra hvilket nye partikler (og antipartikler) igen dannes. Antallet og massen af udslettelsesprodukter (på engelsk: annihilation products) afhænger af den tilgængelige energi.

Udslettelsen af elektroner og positroner (altså antielektroner) ved lave energier producerer kun to (eller tre) højenergiske fotoner (altså lyspartikler). Men ved udslettelse ved meget høj energi kan der dannes hundredvis af nye partikel/antipartikel-par. Henfaldet af disse partikler producerer bl.a. mange neutrinoer, som ikke reagerer på med noget overhovedet. Det er ikke særlig nyttigt for energiudvinding.

[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp# Hvor sikker er antistof?|Hvor sikker er antistof? ]]
Det er fuldstændigt sikkert – i betragtning af de meget små mængder, man har med at gøre. Det ville være meget farligt, hvis man kunne lave et par gram af det, men det ville tage milliarder af år at producere.

[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp# Har CERN protokoller for at holde offentligheden sikker?|Har CERN protokoller for at holde offentligheden sikker? ]]
Der er ingen fare ved antistof på CERN. Der er naturligvis andre farer på CERN, som i ethvert andet laboratorium: F.eks. højspænding i visse områder, dybe gruber som man kan falde ned i, osv., men for disse farer er de sædvanlige industrielle sikkerhedsforanstaltninger på plads. Der er ingen fare for radioaktivt udslip, som der kan være i nærheden af atomkraftværker, hvis der sker uheld her.

[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp# Indeholder et gram antistof samme mængde energi som en 20 kiloton atombombe?|Indeholder et gram antistof samme mængde energi som en 20 kiloton atombombe? ]]
Tyve kiloton TNT svarer til atombomben, der ødelagde Hiroshima. Eksplosionen i en kiloton (= 1000 ton) TNT svarer til en energifrigivelse på 4,2×1012 Joule (idet 1012 er en 1-tal efterfulgt af 12 nuller, dvs. en million millioner). Til sammenligning bruger en 60 Watt pære 60 Joule per sekund.

Spørgsmålet angår sikkert den eksplosive frigivelse af energi ved en pludselig udslettelse af et gram antistof med et gram stof. Lad os beregne den:

For at beregne den energi, der frigives ved udslettelse af 1 g antistof med 1 g stof (som tilsammen bliver 2 g = 0,002 kg), er vi nødt til at bruge formlen E = mc2, hvor c er lysets hastighed (300.000.000 meter pr. sekund):

E = 0,002 x (300.000.000)2 kg m2/s2 1,8 x 10(14) Joule 180 x 1012 Joule. Da 4,2×1012 Joule svarer til et kiloton TNT, så svarer 2 g stof-antistof udslettelse til 180/4,2 = 42,8 kilotons, dvs. næsten det dobbelte af 20 kt TNT.

Dette betyder, at blot et halvt gram antistof vil være lige så ødelæggende som Hiroshima-bomben, idet det andet halve gram (af normalt stof) er let nok at finde.

På CERN fremstiller man mængder i størrelsesordenen 107 antiprotoner per sekund, og der er 6×1023 af dem i et enkelt gram antihydrogen. Man kan derfor nemt beregne, hvor lang tid det ville tage at få et gram: Der ville skulle bruges 6×1023/107 6×1016 sekunder. Der er kun 365 (dage) x 24 (timer) x 60 (minutter) x 60 (sekunder) ca. 3×107 sekunder i et år, så det ville tage omkring 6×1016 / 3×107 2×109 to milliarder år! Det er helt usandsynligt, at nogen ønsker at vente så længe.

[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp# Har CERN's forskere faktisk opfundet internettet?|Har CERN's forskere faktisk opfundet internettet? ]]
Nej. Internettet var oprindeligt baseret på arbejde udført af Louis Pouzin i Frankrig, og blev taget op af Vint Cerf og Bob Kahn i USA i 1970'erne. Men World Wide Web blev opfundet og udviklet udelukkende af Tim Berners-Lee og et lille team på CERN i 1989-1994. Historien om Internettet og World Wide Web kan læses i 'How The Web was born«. Måske ikke så sexet som Engle og Dæmoner, men alt i "How The Web was born" er førstehånds vidnesbyrd og forskning.

[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp# Har CERN en X-33 spaceplane?|Har CERN en X-33 spaceplane? ]]
Desværre ikke.

Del 2: Spørgsmål inspireret af Large Hadron Colliders (LHC) opstart d. 30. marts 2010 efter reparation:

[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp#Hvilke forsøg gjorde CERN før Large Hadron Collider?|Hvilke forsøg gjorde CERN før Large Hadron Collider?]]
I slutningen af 1970'erne brugte CERN en SPS-accelerator til at lave protoner med energier på op til 300 GeV (gigaelektronvolt), – hvilket kan sammenlignes med LHC-acceleratorens 7000 GeV [kilde].

I begyndelsen af 1980'erne udvidede man SPS-acceleratoren i CERN, så man i samme strålerør kunne accelerere protoner og anti-protoner i modsat omløbsretning [kilde].

Ved at bringe protoner og anti-protoner til kollision (i SPS-acceleratoren i CERN), opnåede man en langt højere effektiv kollisionsenergi, hvilket i 1983 ledte til den eksperimentelle eftervisning af vektor-bosonerne, Z0 og W- [kilde]. En stråleenergi på 46 GeV var tilstrækkelig for dannelse af Z0 og W- bosonerne dannedes ved stråleenergier over 80 GeV.

Efter forsøgene med SPS-acceleratoren lavede CERN i 1989-2000 forsøg ved hjælp af LEP-acceleratoren.

Det vel nok vigtigste resultat fra LEP-forsøgene er påvisning af, at de stoflige elementarpartikler optræder i præcis tre generationer [kilde]. Derudover har LEP bidraget til meget præcise test af partikelfysikernes "Standardmodel".

I SPS-acceleratoren kolliderede man protoner mod anti-protoner. I den senere LEP-accelerator lavede man derimod sammenstød af elektroner mod anti-elektroner ("positroner") [kilde].

Sammenstød af elektroner mod anti-elektroner ("positroner") har den fordel, at fordi elektroner og positroner er elementære partikler vil disse ved kollision forsvinde helt, "annihilere totalt", hvorved den fulde kollisionsenergi står til rådighed til produktion af nye partikler.

¤¤¤

[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp# Hvor lang var byggetiden for Large Hadron Collider?|Hvor lang var byggetiden for Large Hadron Collider?]]
De første tanker om en Large Hadron Collider (LHC) ved CERN – det europæiske forskningslaboratorium for partikelfysik ved Geneve – daterer sig helt tilbage til slutningen af 1970'erne [kilde]. Den kom først rigtig i gang i 2010, 40 år senere.

LHC-acceleratoren stod færdig den 10. september 2008 efter 18 års design- og konstruktionsarbejde og endnu længere forberedelsestid. Denne dag lykkedes det for første gang at sende protonstråler ud i strålerøret [kilde].

Den tunnel, som tidligere blev brugt til LEP-acceleratoren [kilde], er blevet ombygget til at huse den nye LHC-accelerator. Det er en 27 kilometer cirkulær tunnel, som befinder sig under jordens overflade i mellem 40 og 170 meters dybde under den fransk-schweiziske grænse ved Genève, Schweiz [kilde]. Der blev brugt flere hundrede tusinde tons stål og elektronik til LHC-acceleratoren [kilde].

LHC-forsøget er det dyreste fysikforsøg i menneskehedens historie. LHC-acceleratoren har kostet 30 milliarder kroner og er bygget af mere end 10.000 forskere og ingeniører fra flere hundrede universiteter og laboratorier fra over 100 forskellige lande [kilde].

Large Hadron Collider i CERN handler om at få milliarder af ufatteligt små partikler (protoner) accelereret op til meget tæt på lysets hastighed, og så smadre dem ind i hinanden[kilde]. LHC-acceleratoren er verdens største "supermikroskop", med en opløsningsevne, der er 10 gange bedre end hidtil kendt [kilde].

I tunnelen findes to superledende ringe, som cirkulerer energirige protoner i hver sin retning . Fire forskellige steder undervejs mødes ringene. På disse fire steder er der bygget store detektorer, som laver målinger på proton/proton-sammenstødene [kilde].

Kernen i acceleratoren udgøres af over 1600 sektioner med superledende magneter, der skal køles ned til minus 271 grader Celsius (ca. 1,8 Kelvin) [kilde]. ved hjælp af 96 ton flydende helium for at skabe det meget kraftige magnetfelt på 8,3 Tesla (8,3 T), der skal til for at afbøje protonstrålerne rundt i ringen [kilde].

Protonerne opnår under accelerationen en energi på på 7 TeV (teraelektronvolt = 1012eV). Det er 7000 gange større, end protonens energi i hvile [kilde]. (En elektronvolt, eV, er den energi, som en elektron opnår ved at gennemløbe et spændingsfald på 1V).

Ved et proton-sammenstød, hvor begge protoner har denne energi før sammenstødet, bliver energien i et sammenstød derfor på 14 TeV. Dette er syv gange kraftigere end på den hidtil største accelerator, Tevatronen, som er placeret i USA [kilde].

LHC opererer ved en energi, hvor protonerne accelereres op til 99,9999991 % af lysets hastighed.

Når LHC-acceleratoren kører som planlagt, vil omkring 2800 bundter af op imod 100 milliarder protoner krydse hinanden ved de fire kollisionssteder op til 30 millioner gange i sekundet [kilde].

¤¤¤

[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp# Hvorfor brød Large Hadron Collider sammen 19. sep. 2008?|Hvorfor brød Large Hadron Collider sammen 19. sep. 2008?]]
Ugen efter LHC-acceleratorens første forsøg d. 10. sep. 2008 gik man videre med at afprøve den sidste ottendedel af acceleratorens superledende magneter ved fuld strømstyrke . Først da var denne sektor nået ned på driftstemperaturen på -272°C (1,8 Kelvin) [kilde]. Her gik det galt d. 19. sep. 2008, kun ni dage efter den første succes.

Der opstod en alvorlig fejl i en elektrisk forbindelse mellem to superledende magneter, som fik for stor modstand (på ca. 100 nano-Ohm) . Det førte til en opvarmning, der ikke kunne klares af kølesystemet, hvilket førte til yderligere forøgelse af den elektriske modstand, hvorved forbindelsen brændte sammen . Den flydende helium, som køler de superledende magneter, lækkede og medførte en eksplosion [kilde]. Det var et kulsort uheld, men det er svært at sige, hvordan man kunne have garderet sig mod et sådant uheld [kilde].

Sammenbruddet betød, at der måtte udskiftes 53 magneter (dipoler og kvadrupoler) samt nogle af vakuumkamrene, hvor protonstrålerne bevæger sig . Da teknikerne undersøgte resten af sektionerne fandt de en anden svag forbindelse, der kunne have ført til endnu et sammenbrud [kilde].

Det kostede ca. 120 millioner kroner at udbedre skaderne [kilde], og reparationerne var først færdige i maj 2009 [kilde]. Desuden tog det tid at nedkøle igen (alene nedkøling fra temperaturen fra +27°C (300 Kelvin) til -193°C (80 Kelvin) tog tre uger, og der skulle bruges 64 lastbiler fyldt med flydende luft. Herefter tog det endnu seks uger at køle de 4700 tons ned til sluttemperaturen ved hjælp af helium) [kilde]. I alt tog nedkølingen ca. 2½ måned.

Et nyt meget kompliceret overvågningssystem skal sikre, at der ikke kommer for stor modstand i overgangene mellem de superledende magneter igen i fremtiden [kilde].

Den 30. marts 2010 øgedes energien i LHC-acceleratoren til halvdelen af det maximale, som LHC kan levere, idet protonerne blev accelereret op til 3,5 TeV pr. partikelstråle og antallet af protoner øgedes [kilde]. I 2011 vil energien blive øget til 7 TeV i hver protonretning[kilde]. I sommeren 2010 var den endnu ikke nået op på fuld kraft.

¤¤¤

[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp# Hvor mange data får man fra Large Hadron Collider?|Hvor mange data får man fra Large Hadron Collider?]]
Der ventes omkring 100 interessante kollisioner hvert sekund i LHC-acceleratoren. Dette giver en datamængde på ca. 1 Gigabyte. Fysikerne skal hente disse data hjem via "The GRID", der er en overbygning til Internettet. Beregningerne kræver stor computerkraft, dels fordi dataanalyserne er statistiske analyser, som kræver mange data for at være signifikante, og dels er simuleringen af partiklernes bevægelse i detektoren yderst kompliceret [kilde].

Dataene sendes direkte til en række computercentre verden over, eksempelvis i København, hvorfra fysikere over hele verden kan få adgang til dem [kilde].

"Grid computing" hænger uløseligt sammen med partikelfysik. Da den konkrete planlægning af LHC-databehandlingen startede i slutningen af 1990'erne, var det tydeligt, at der ville blive brug for en radikalt anderledes infrastruktur end tidligere, fordi LHC-acceleratoren giver langt større datamængder, og fordi langt flere forskere – fordelt over hele verden – ønsker at analysere dem [kilde]. F.eks. ønsker 2100 fysikere at studere de data, som vil komme fra ATLAS-detektorkomplekset.

På amerikanske og europæiske universiteter var nye softwareprodukter imidlertid under udvikling, som ville muliggøre etablering af virtuelle arbejdsgrupper samt deling af computere og store datamængder på tværs af landegrænser . Man etablerede 'LHC-grid', hvorved LHC-data kan analyseres direkte fra deres forskernes hjemmeinstitutter [kilde].

Efter frasortering af uinteressante data vil en datastrøm på 320 MB/s bevæge sig fra de underjordiske faciliteter til CERN's computercenter (det såkaldte "Tier-0-center"), hvor disse rådata vil blive opbevaret permanent og viderebehandlet til såkaldte "Event Summary Data" (ESD) og "Analysis Object Data" (AOD) [kilde].

Alle rådata om forsøg og analyser vil kontinuerligt blive kopieret væk fra CERN og ud til 10 såkaldte "Tier-1-centre" rundt omkring i verden, hvor de vil blive viderebehandlet . Disse Tier-1-centre har hver en dedikeret netværksforbindelse på 10 Gigabits per sekund til CERN's computercenter [kilde]. Det bliver til en årlig datamængde på mellem 2 og 15 PB (petabyte = et 1-tal med 15 nuller efter). Til sammenligning er informationen i alle amerikanske forskningsbiblioteker på ca. 2 PB.

En forsker kan i princippet køre beregninger på alle de computercentre, der er sammenkoblede via LHC-grid'en, som derfor kan betragtes som én gigantisk computer med mere end 50.000 CPU'er og mere end 20 PB lagringskapacitet [kilde].

Nordiske fysikinstitutter har fra starten af LHC-grid'en deltaget i udviklingen af den software, der anvendes til at sammenkoble computerklynger . I 2001 blev dette samarbejde formaliseret ved dannelsen af NorduGrid – et forskningsnetværk finansieret af Nordisk Ministerråd via Nordunet 2-programmet [kilde]. NorduGrid har siden udviklet sin egen selvstændige grid-software.

De fleste af de danske fysikere, der beskæftiger sig med LHC-fysik, er tilknyttet Niels Bohr Institutet . Den generelle danske grid-udvikling foregår på Institut for E-Science og Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet, samt på Ålborg Universitet og hos NDGF i Kastrup [kilde].

¤¤¤

[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp# Hvor mange proton-proton kollisioner vil der være per sekund ved LHC-acceleratorens maximalenergi?|Hvor mange proton-proton kollisioner vil der være per sekund ved LHC-acceleratorens maximalenergi?]]
LHC-acceleratoren forventes at nå op på 800 millioner proton-proton kollisioner per sekund ved LHC-acceleratorens maximalenergi på 14 TeV . For blot én af de 4 detektorer, ATLAS-detektorkomplekset, vil dette resultere i en datastrøm frem til det såkaldte begivenheds-filter på op imod 100 Gb/s . Dette filter har til opgave ved hjælp af meget hurtige test at frasortere 'uinteressante' begivenheder [kilde].

¤¤¤

[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp# Hvilken arbejdsmetode bruger partikelfysikere?|Hvilken arbejdsmetode bruger partikelfysikere?]]
En af de første ting, som partikelfysikteoretikerne gør, når de fundet på en ny teori, er at prøve at dræbe den ved at finde en inkonsistens med kendte eksperimentelle resultater [kilde]. Man starter f.eks. med en teoretisk model for elementarpartikler, og beregner derefter, hvad der ifølge denne model vil ske, når to protoner støder sammen med en hastighed meget tæt på lysets hastighed (99,9999991% af lyshastigheden). Dette sammenlignes så med, hvad man rent faktisk har målt i forsøgene ved f.eks. ATLAS-detektorkomplekset[kilde].

To forskere foreslog i 1954 de såkaldte "ikke-abelske gauge-teorier", som senere (efter at modellerne var blevet videreudviklet af andre forskere) mundede ud i "den elektrosvage teori". Dette blev i begyndelsen af 1970'erne bekræftet eksperimentelt – dog mest spektakulært i 1983, da CERN opdagede de tre partikler, W+, W- og Z0 vektor-bosonerne, med nøjagtig de masser, som var blevet forudsagt ifølge den elektrosvage teori[kilde].

¤¤¤

[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp# Hvad skyldes den elektrostærke kraft?|Hvad skyldes den elektrostærke kraft?]]
Den elektrosvage teoris succes i 1970'erne og specielt i 1983 førte teoretiske fysikere til at foreslå en "kvante-kromo-dynamik"-teori til beskrivelse af den stærke kernekraft. Ifølge denne teori er protonen og neutronen lavet af mere fundamentale partikler, kaldet kvarker. Den stærke kernekraft opstår ifølge teorien ved kvarkernes vekselvirkninger med otte vektorbosoner, kendt som gluoner. Teorien ser nu ud til at være blevet bekræftet eksperimentelt[kilde].

¤¤¤

[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp# Findes der en fælles teori på den stærke og den svage kernekraft og den elektromagnetiske kraft og tyngdekraften?|Findes der en fælles teori på den stærke og den svage kernekraft og den elektromagnetiske kraft og tyngdekraften?]]
De to teorier om henholdsvis den svage og den stærke kernekraft er temmelig forskellige gauge-teorier. Man leder derfor nu efter en forenende teori, der samlet kan forklare den svage og den stærke kernekraft – og samtidig også gerne kan forklare den tredie kraft, som kaldes den elektromagnetiske kraft [kilde].

Det, der mangler til en stor, forenende teori, er gravitationens kraft. En løsning kunne være en såkaldt "Kaluza-Klein teori i højere dimensioner" – idet den oprindelige Kaluza-Klein teori krævede fem dimensioner. "

En sådan teori må omfatte en vektorboson (nemlig den foton, der er tilknyttet elektromagnetismens kraft) , de tre nyligt opdagede vektorbosoner (nemlig W+, W- og Z0vektorbosonerne), som kræves til den svage kernekraft , samt de otte gluoner, som kræves til den stærke kernekraft [kilde].

En stor, forenende teori kræver dog mere end dette, nemlig et sted imellem 10 og 500 flere vektorbosoner – afhængig af, hvilken version af stor, forenende teori, man vælger [kilde].

I kvanteteorier, som "de ikke-abelske gauge-teorier", er der to klasser af partikler, nemlig bosonerne og fermionerne. Bosonerne er bærere af de fundamentale kræfter, dvs. at de overfører kræfter. For eksempel tænkes gravitationskraften forårsaget af en kontinuerlig udveksling af bosoner (af typen "gravitoner") mellem to massive legemer – hvilket viser sig som en tiltrækning mellem de to legemer[kilde].

Fermionerne udgør al hovedmassen af stof i universet. For eksempel er elektronen, neutronen, protonen og neutrinoen netop fermioner. Kvarkerne, der sammen udgør neutronen og protonen, er derfor også fermioner [kilde].

¤¤¤

[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp# Hvor mange dimensioner er der i verden?|Hvor mange dimensioner er der i verden?]]
Supergravitation-teorien er en såkaldt "feltteori", hvor antallet af fermionfelter og antallet af dimensioner er givet naturligt af teoriens struktur, og hvor der er en fermion-partner for hver boson, og hvor fermionerne (der er nødvendige til at beskrive stoffets struktur) er til stede i teorien fra begyndelsen. Desuden kan der højest være 11 dimensioner, – men netop 11 dimensioner skal der så også være for at indlemme de stærke, svage og elektromagnetiske kræfter i en Kaluza-Klein struktur. De syv ekstra dimensioner (ud over de 4 kendte dimensioner i rumtiden) tænkes ifølge supergravitationsteorien krøllet sammen til en lukket overflade. Det er yderst tiltrækkende for teoretikerne, at medens der i alle dimensioner lavere end 11 kan tænkes adskillige versioner af supergravitation, som er matematisk distinkte, så er supergravitation-teorien i netop 11 dimensioner enestående [kilde].

De minimale ingredienser til en Kaluza-Klein teori (også kaldet en KK-teori) inkluderer gravitationsfeltet (som giver anledning til bosonerne) samt et fermionfelt (som redegør for vor verdens fermioner). Der skal ud over gravitationsfeltet også være mindst et bosonfelt, der virker som den kilde, der driver kompaktheden, eller opkrølningen, af de ekstra, skjulte dimensioner. Den 11-dimensionale version af supergravitation-princippet inkluderer nøjagtig disse tre ingredienser: Gravitationsfelt/fermionfelt/bosonfelt [kilde].

Det ekstra bosonfelt fører naturligt til kun to slags kompakthed. I den ene slags krøller syv af de 11 dimensioner sig til en lille, skjult struktur. En sådan kompakthed ville forklare, hvorfor antallet af dimensioner, der let kan observeres, netop er fire, eftersom de syv er skjulte. (Der må så være en grund til, at dette foretrækkes i naturen frem for alternativet, hvor kun fire dimensioner krøller sig sammen, hvilket ville føre til en syvdimensional verden)[kilde].

Det første er "kiralitetsproblemet", nemlig at alle hidtil foreslåede 11-dimensionale strukturer forudsiger et ens antal venstre- og højrehåndede neutrinoer, hvilket er i modstrid med, at alle neutrinoer, der er observeret i naturen, har været venstrehåndede. Der synes således ikke at eksistere højrehåndede neutrinoer [kilde].

Det andet problem, kaldet "det kosmologiske problem", går ud på, at rumtidens fire dimensioner (længde/bredde/højde og tid) bliver yderst krumme. Det er i modstrid med, at astronomiske observationer tyder på, at universets krumning på en stor skala er nul eller tæt på nul. I de Kaluza-Klein teorier, der ikke er baseret på supergravitation, kan dette problem undgås ved at tilføje ligningerne en konstant, som kaldes "den kosmologiske konstant", og som har den virkning, at den ophæver den firedimensionale rumtids krumning. En sådan frihed til at justere de underliggende ligninger er imidlertid ikke til stede i Kaluza-Klein teorier, der er baseret på supergravitation i 11 dimensioner [kilde].

Det tredje problem for 11-dimensional supergravitation kaldes "kvanteproblemet". Der er håb om, at en løsning af "kvanteproblemet" også vil kunne eliminere de to andre problemer. Teorierne, der ligger til grund for Kaluza-Klein princippet, er baseret på kvantemekaniske ligninger, som fører til uendelige mængder, hvilket udgør en vanskelighed for alle kvanteteorier om gravitation. For at undgå dem er teoretikerne blevet tvunget til at gøre tilnærmelser, der negligerer nogle af kvantevirkningerne. Måske vil man med tiden kunne demonstrere, at uendelighederne er et resultat af tilnærmelsesproceduren snarere end et resultat af selve teorien – eller måske kan man finde en teori, i hvilken disse uhåndterlige uendeligheder slet ikke optræder. En såkaldt "superstreng-teori", der har nogle af supergravitation-teoriens tiltrækkende egenskaber, kan måske løse problemet [kilde].

I superstrengteorien er der uendeligt mange partikler, svarende til de uendeligt mange bølgemønstre, der kan eksistere vedvarende på strengen. De fleste af disse partikler vil have en yderst stor masse, nemlig mere end 1019 gange protonens masse. Ikke desto mindre forudsiger teorien også omkring 1000 partikler, der er uden masse. Når de tunge partiklers virkninger inkluderes, får man konsistente ligninger på kvanteniveau, og de to store problemer i supergravitation, "kiralitetsproblemet" og "det kosmologiske problem", opstår ikke i superstrengteorien[kilde].

"Strengteorien" er ikke en feltteori, sådan som Supergravitation-teorien er. Ifølge strengteorien er partiklerne knyttet til vibrationsbevægelserne hos en 1-dimensional streng i et højere dimensioneret rum [kilde].

Der er ingen eksperimentelle tegn på, at supergravitationsteorien og Kaluza-Klein teorien er korrekte. Dette viser dog ikke nødvendigvis, at ideerne er forkerte. Måske kræves blot yderligere teoretisk arbejde: Det tog f.eks. 13 år at finde den korrekte måde at anvende de "ikke-abelske gauge-teorier" til at lave en præcis formuleret forudsigelse, som kunne afprøves eksperimentelt. Desuden kræves måske udvikling af yderligere matematiske teorier, f.eks. om højere-dimensionerede verdener til forklaring af gravitation[kilde].

¤¤¤

[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp# Hvilken betydning har matematikken for partikelfysikken?|Hvilken betydning har matematikken for partikelfysikken?]]
Partikelfysik handler meget om matematik af en type, som ikke passer til vores forestillingsevner. Men Benny Lautrup skriver følgende om matematik: "Galileis lov om inerti, Newtons love for bevægelse og tyngdekraft, Maxwells ligninger for elektromagnetisme, og Einsteins relativitetsteori indeholder alle matematiske abstraktioner, der ikke umiddelbart er tilgængelige for vores intuition. Beherskelsen af det matematiske apparat er i dag en forudsætning for at benytte disse klassiske teorier professionelt. De har alle gennem matematiske analyser vist sig at indeholde overraskende elementer, der af og til med stor fordel kan udnyttes industrielt. Selv relativitetsteorien, som de fleste anser for dagligdagen uvedkommende, er afgørende for præcisionen af det satellitbaserede navigationssystem (GPS), som enhver hyrevogn i dag betjener sig af." [kilde].

LHC-målingerne kan måske med tiden vise sig at blive af stor interesse for rumteknologien og for medicinsk diagnostik [kilde].

¤¤¤

[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp# Hvad er Standardmodellen?|Hvad er Standardmodellen?]]
Standardmodellen for partikelfysik blev formuleret i slutningen af 1960'erne, og den har vundet større og større anerkendelse [kilde]. Ved alle de mange fysiske eksperimenter, der hidtil er blevet udført ved acceleratorer verden over, er der aldrig blevet målt noget, der ikke var i overensstemmelse med Standardmodellen [kilde]. Standardmodellen må derfor betragtes som noget af en teoretisk bedrift.

Standardmodellen har forholdsvis få frie parametre, og den forudsiger præcise relationer mellem forskellige målbare størrelser . Ingen signifikante afvigelser fra modellens forudsigelser blev observeret ved de tidligere LEP-eksperimenter i CERN, og også senere målinger har bekræftet Standardmodellens indre konsistens [kilde].

Standardmodellen lader – på trods af dens succes – mange grundlæggende spørgsmål åbne. F.eks. besvarer den ikke spørgsmålet: Hvorfor har elementarpartiklerne de masser, som de har? [kilde]. Der er derfor god grund til at søge videre efter en underliggende mekanisme, der kan give dybere indsigt . Et af disse grundlæggende spørgsmål er, hvorfor de stoflige elementarpartikler optræder i præcis tre generationer [kilde]. (som forsøgene med LEP-acceleratoren i CERN påviste). For et muligt svar må man kigge hinsides Standardmodellen efter såkaldt "ny fysik".

¤¤¤

[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp# Hvad er Higgs-partiklen?|Hvad er Higgs-partiklen?]]
Standardmodellen opererer med 18 elementarpartikler, som alle på nær én er blevet påvist ved eksperimenter [kilde]. Den mystiske manglende partikel kaldes Higgs-partiklen. (Den kaldes også Higgs-bosonen eller "gude-partiklen"). Higgs-partiklen er opkaldt efter fysikeren Peter Higgs fra Edinburgh universitet, der introducerede den i 1960'erne [kilde].

Higgs-partiklen er altså den sidste og afgørende brik i partikelfysikkens Standardmodel om 18 elementarpartikler . Higgs-partiklen giver ifølge Standardmodellen alle andre partikler deres forskellige masser [kilde]. Et af målene med LHC-acceleratoren er derfor netop at påvise Higgs-partiklen [kilde].

I sig selv giver Standardmodellen ingen forudsigelse for Higgs-bosonens masse. Tidligere LEP-eksperimenter har imidlertid været i stand til at sætte en nedre grænse på 114,1 GeV/c2 ved at kigge efter direkte tegn på Higgs-bosonen [kilde]. Derudover kan man med udgangspunkt i de præcise LEP-data benytte Standardmodellen til at give en indirekte forudsigelse af Higgs-massen . Man får herved en øvre grænse på knap 200 GeV/c2[kilde].

Massen af Higgs boson partiklen skulle altså ligge mellem 114,1 GeV/c2 og knapt 200 GeV/c2

Hvis det virkelig skulle lykkes at finde en Higgs-boson med en masse i overensstemmelse med LEP-grænserne, ville det være en umådelig succes for Standardmodellen . Det ville også være en succes for LHC-programmet, som bl.a. har påvisningen af Higgs-bosonens eksistens som et af sine mål [kilde].

ATLAS-eksperimenterne vil prøve at påvise Higgs-partiklen. Man forventer dog først at få brugbare resultater om Higgs-partiklen efter 1-3 år, da det vil kræve op til 3 års dataindsamling for at få data nok til at lave et plot med rigtige begivenheder [kilde]. Et sådant plot vil så kunne bruges til at give et bud på, om Standardmodellens Higgs-partikel rent faktisk findes ved en given masse (f.eks. ved 120 GeV) [kilde].

Higgs-mekanismen forklarer, hvordan elementarpartikler får masse . Higgs-mekanismen er dermed central for Standardmodellen. Uden Higgs-mekanismen ville kun masseløse partikler være tilladte [kilde]. Udover at generere masser, forudsiger Higgs-mekanismen som nævnt eksistensen af en ny partikel, den såkaldte Higgs-boson .

(Professor Holger Bech Nielsen og japanske Masao Ninomiya har været i mediernes søgelys med teoretiske spekulationer om, at LHC-acceleratoren aldrig ville komme op at køre [kilde], men blive saboteret af sin egen fremtid [kilde]. De to forskere har publiceret flere artikler, hvori de hævder, at den hypotetiske Higgs-partikel er i modstrid med naturlovene.)

Hvis det overhovedet skal give mening at kigge efter Higgs-partiklen, må man kræve, at der produceres noget i retning af én Higgs-partikel i timen . Det betyder, at acceleratoren må kunne levere omtrent 109 proton-proton-vekselvirkninger per sekund [kilde].

[Hyppigheden af begivenheder udregnes som produktet af "intensiteten" (hvormed de to stråler rammer hinanden – den såkaldte luminositet) og et "tværsnit" (som er en egenskab, der er knyttet til den betragtede proces)].

Man kan undre sig over, hvorfor de forskellige partikler har så forskellig masse. Men man kan mere fundamentalt undre sig over, hvorfor partiklerne overhovedet har en masse.

Man ved, at en murstens masse er summen af massen af de atomer, som murstenen består af . Men på mindre skalaer forholder det sig anderledes : Massen af et atom overstiger langt massen af de elektroner, kvarker og gluoner, som atomet består af [kilde]. Massen af atomets bestanddele kan altså ikke gøre rede for atomets samlede masse.

Protonens masse er bestemt af bevægelsen af kvarkerne og af den energi, der er knyttet til gluonfelterne, som forbinder kvarkerne [kilde]. Så hvorfor er elektronen og kvarkerne ikke bare masseløse?

Standardmodellen har et svar på disse spørgsmål. Svaret involverer en nyfortolkning af vakuum og introduktionen af Higgs-mekanismen . Higgs-mekanismen er en nødvendig del af partikelfysikernes Standardmodel for, at denne model kan beskrive naturen, som man ser den [kilde].

Vakuum er den tilstand med lavest mulig energi, som et system kan være i, når man har pumpet alt ud . Hvis man betragter Universet som vores system, er det fyldt med partikelfelter . I vakuum-tilstanden er alle disse partikler fjernet, men der er alligevel ikke helt tomt . Der kan nemlig stadig ligge et felt som baggrund. Dette baggrundsfelt kaldes Higgs-feltet . Higgs-feltet kan deformeres, eller "exciteres", ved at vekselvirke med andre ting . Excitationerne tager form som klassiske bølgepakker, hvilket i den kvantemekaniske fortolkning betyder partikler . Ud fra Higgs-feltets eksistens forventer man derfor også eksistensen af en Higgs-partikel [kilde].

Higgs-feltet sørger for, at alle de andre partikler opnår masse . Når elementarpartiklerne bevæger sig gennem dette baggrundsfelt (Higgs-felt), vil de vekselvirke med baggrundsfeltet. Herved bliver forholdet mellem elementarpartiklernes energi og impuls ændret . Denne ændring af elementarpartiklernes energi og impuls svarer til, at elementarpartiklerne får en masse [kilde].

Når man observerer en partikel med en høj masse, svarer det ifølge Standardmodellen til, at partiklen har en stærk vekselvirkning med Higgs-feltet . Hvis man derimod observerer en partikel med en lav masse, svarer det ifølge Standardmodellen til, at partiklen har en svag vekselvirkning med Higgs-feltet [kilde].

Den træghed, som partiklerne oplever, når de bevæger sig igennem Higgs-feltet, minder om den træghed, som lys oplever, når det bevæger sig gennem vand, hvor hastigheden bliver reduceret [kilde].

Også de såkaldte "kraftbærere" kan mærke Higgs-feltet [kilde]. Formidlerne af "den svage kernekraft", Z og W, vekselvirker meget stærkt med Higgs-feltet, – i modsætning til fotonen, der er masseløs [kilde]. (Dette forklarer forskellen i rækkevidde af den elektromagnetiske kraft og den svage kernekraft i dag [kilde]. ).

(Symmetrien mellem disse to kræfter – den elektrosvage symmetri – er brudt, eller skjult for os, på grund af den vakuumtilstand, som vores univers er i [kilde]. ).

Ingen har set Higgs-partiklen. I dag mener man, at Universet, da det opstod i Big Bang, var i en vakuumtilstand, og at alle partikler var masseløse . Universet begyndte at udvide sig, hvorved der skete en nedkøling, som betød en overgang til en ny vakuumtilstand [kilde].

Sådan en faseovergang minder om den, der sker, når vand, som ved høje temperaturer er en gas, bliver til is ved nedkøling . I den nye vakuumtilstand var Higgs-feltets forventningsværdi ikke nul mere. Dermed fik partiklerne de masser, som man kender i dag, – via vekselvirkninger med dette Higgs-baggrundsfelt [kilde].

Selv om introduktionen af Higgs-feltet og Higgs-partiklen er en nødvendighed for at beskrive partiklerne med masse, er der det problem, at man endnu ikke har observeret Higgs-partiklen ved noget eksperiment og dermed ikke fået bekræftet denne del af Standardmodellen [kilde].

Med opstarten af ATLAS- og CMS-detektorerne i LHC-acceleratoren i september 2008 (og nyopstarten d. 30. marts 2010 efter uheldet) begyndte jagten på Higgs-partiklen. Ved LHC-acceleratoren vil man genskabe forhold, der minder om dem, der var i Universets allertidligste stadier, mindre end 10-12 sekunder efter Big Bang [kilde].

I forsøgene med LHC-acceleratoren bliver det muligt at producere og observere Higgs-partiklen, hvis den findes. Man vil derved opnå en bedre forståelse af fysikken, der herskede i Universets spæde begyndelse [kilde].

Higgs-partiklen må have masse, spin og en levetid, som alle andre partikler [kilde]. Den vil dog ikke have nogen ladning. Desuden må dens levetid være meget kort, 10-22 sekunder.

ATLAS- og CMS-detektorerne er designet, så de med høj præcision kan observere Higgs-partiklen, hvis den har en masse af den forudsagte størrelse . Den eneste måde, man kan observere Higgs-partiklen på ved ATLAS- og CMS-detektorerne, er ved at studere Higgs-partiklens henfaldsprodukter [kilde].

Hvad Higgs-partiklen henfalder til afhænger af, hvor meget den selv vejer . Fra teoretiske beregninger såvel som tidligere eksperimentelle resultater ved man, at Higgs-partiklens masse skal ligge mellem 115 og 1000 GeV (dvs. 10 gange så meget som Z-partiklen) [kilde].

Higgs-partiklens masse kaldes Mh. Der er en øvre teoretisk grænse for Mh, da en Higgs-masse over dette vil medføre en såkaldt triviel teori [kilde]. Ud fra eksperimentelle data har man også fastlagt en praktisk øvre grænse. Der er i øvrigt også en nedre teoretisk grænse for Mh, da en Higgs-masse under denne vil betyde et ustabilt vakuum [kilde].

Hvis Higgs-partiklen viser sig at have en masse omkring 130 GeV, vil det betyde, at Standardmodellen er i stand til at beskrive verden helt op til de højeste energier og helt tilbage til det tidligste univers . Higgs-partiklen er altså en meget vigtig manglende brik i det puslespil, man kalder partikelfysikkens Standardmodel . Higgs-partiklen er afgørende for, om vores teori kan beskrive Universet helt tilbage til Big Bang [kilde].

Lad os lige præcisere forskellen mellem Higgs-partiklen og Higgs-feltet: Man kan i medierne læse om "Higgs-partiklen, hvis kraftfelt ifølge én teori knytter hele Universet sammen" . Det er ikke selve Higgs-partiklen, der i teorien knytter hele universet sammen, men derimod det kraftfelt, der kaldes "Higgs-feltet", der skulle være Standardmodellens klæbemiddel . Det er nemlig sådan, at efter videnskabens opfattelse, er der tilknyttet et kraftfelt til en partikel. Det er så det kraftfelt, der er tilknyttet Higgs-partiklen, der skulle være det, der knytter hele universet sammen [kilde].

Higgs-partiklen vekselvirker stærkere med partikler, jo tungere partiklerne er . Det betyder, at en Higgs-partikel altid vil foretrække at henfalde til de tungest mulige partikler [kilde].

Hvis Higgs-partiklen har en masse på eller under 130 GeV, vil den henfalde til tau-leptoner eller fotoner (igennem top-kvark-henfald) [kilde].

Hvis Higgs-partiklen har en masse over 130 GeV, vil den typisk henfalde til W- og Z-bosoner. Det vil i så fald være signaturer fra sådanne processer, man skal kigge efter i detektoren [kilde].

Man kan f.eks. forestille sig, at der i ATLAS-detektorkomplekset påvises en Higgs-partikel, som er blevet skabt i den centrale proton-proton kollision, hvorefter den er henfaldet til to Z-bosoner , og at disse igen er henfaldet til to myoner og to elektroner. Det vil i så fald kun være sporene fra disse myoner og elektroner, som vil blive registreret i detektoren [kilde].

Med LHC-acceleratoren har man nu en klar strategi for, hvad man skal kigge efter for at observere Higgs-partiklen, og finde ud af, hvad den vejer [kilde].

LHC vil producere mere end 10 millioner sammenstød per sekund. De data, der bliver gemt om disse sammenstød, ville kunne fylde CD'ere nok til at bygge en 20 km høj stak af CD'ere om året [kilde]. Kun en meget lille del af al denne data vil indeholde information om Higgs-partiklen . Faktisk vil Higgs-partiklen højst blive produceret i ét ud af 1012 proton-proton sammenstød [kilde]. Der skal altså en virkelig grundig frasortering til for at udvælge netop det, der kan fortælle os noget om Higgs-partiklen . Denne frasortering vil aldrig opsamle alle de sammenstød, hvor der var en Higgs-partikel. Alt i alt forventer man, at kun omkring et par hundrede Higgs-partikler vil blive observeret i ATLAS-detektorkomplekset om året . Det betyder, at man må vente, til man har cirka tre års data, før man kan give et sikkert svar på gåden om Higgs-partiklen . I ventetiden bruger partikelfysikerne computersimuleringer til at træne til jagten på Higgs-partiklen .

¤¤¤

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.

Tweet Pin Facebook LinkedIn Email Print Like Share Yummly

bionyt.dk

Science – Videnskab – Forskning

Search Posts

partikelfysik-del5

Leave a Reply Cancel reply

SØG index

Recent Posts

Recent Comments

Archives

Categories

Meta

BioNyt