partikelfysik-del6

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

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 .

¤¤¤

[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp#Hvad er mørkt stof?|Hvad er mørkt stof?]]
Hvis universet skulle vise sig at have en tæt energi, vil universet med tiden falde sammen. Hvis universet omvendt har en mindre tæt energi, vil universet fortsat udvide sig. Imellem disse to muligheder er der det, som man kalder den kritiske tæthed.

Man kender kun 5% af denne energitæthed i Universet. Disse 5% udgør det stof, som vi kender, (.eks. det, som en stol eller du selv er lavet af). Disse 5% kaldes den normale materie.

De resterende 95% af Universets energitæthed opdeler man i to typer, nemlig ca. 25-30% "mørkt stof" (fordi man ikke kan se det) og ca. 65-70% "mørk energi" (som man slet ikke ved, hvad er). Disse tal skyldes, at man kan udregne, hvor meget materie/energi, der må være, for at f.eks. galakserne kan rotere, når man tager deres tyngdekraft i betragtning.

Man har to forestillinger om, hvad "Mørk energi" kan være. Den simpleste forestilling kalder man "vakuumenergi" (også kaldet "den kosmologiske konstant"). Men Mørk energi kan også tænkes at bestå at ukendte elementardele.

Den mekanisme, der er forbundet med Higgs-partiklen, vil – hvis den findes – også fortælle om nogle egenskaber ved vakuum, der vil kunne kaste lys over den mørke energi, som dominerer i Universet [kilde].

Det er efter nogles partikelfysikeres mening Higgs-feltet, der kan forklare den såkaldte mørke energi, og som får det universelle rum til at ekspandere med en accelererende hastighed [kilde].

¤¤¤

[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp#Hvad er supersymmetri?|Hvad er supersymmetri?]]
Symmetrier spiller en helt central rolle i fundamentale teorier om naturen . Ordet "symmetri" bruges dog her i en anden betydning end det alment kendte symmetribegreb . En symmetri i denne anden forstand er en transformation af et fysisk system, der efterlader systemets vekselvirkninger uforandrede [kilde]. : Når man kan spille fodbold i et tog, der kører, skyldes det, at naturlovene ikke ændrer sig, bare fordi man kører 120 km/t .

Det er også normalt en fundamental antagelse, at de grundlæggende naturlove er de samme alle steder : Man kan transformere koordinaterne for et fysisk system ved en vilkårlig flytning og tilskrive det en vilkårlig hastighed, og alligevel vil naturlovene stadig være uforandrede [kilde].

Symmetrier i mikrokosmos er normalt formuleret i termer af, hvad en given naturkraft "kan se forskel på" : Som eksempel kan man kigge på Solsystemet . Tyngdekraften er et godt eksempel på en naturkraft, der adlyder spejlsymmetri : Man ser ingen fysiske love overtrådt, hvis man kigger på et spejlbillede af solsystemet [kilde].

Den svage kernekraft adlyder derimod ikke spejlsymmetri . Netop dette såkaldte "paritetsbrud" var en af de centrale opdagelser i det 20. århundrede på vej mod en forståelse af naturkræfterne [kilde].

Supersymmetri ("SUSY") er ikke én teori, men snarere et princip, der har givet anledning til hundredevis af forskellige forslag til, hvordan naturen kunne hænge sammen [kilde]. Disse "forslag" kaldes for modeller [kilde]. Modeller har altid været en central del af fysikeres arbejde [kilde].

Supersymmetri-modellerne er en af de mest lovende udvidelser til partikelfysikkens Standardmodel [kilde].

Supersymmetri er et princip om, at naturen indeholder en symmetri mellem partikler med forskelligt spin . Ifølge princippet skulle der til hver partikel i naturen findes en partikel, der er fuldstændig identisk, blot med et spin, der afviger [kilde].

Supersymmetri betyder, at der til alle de partikler, som man kender i Standardmodellen, findes en såkaldt superpartner. Når supersymmetri er "super" betyder det, at det er en symmetri mellem partikler med halvtalligt spin (fermioner med "spin = 1/2") og partikler med heltalligt spin (bosoner med "spin = 1") [kilde].

Fermioner er de basale byggesten til alt stof. I Standardmodellen er der 12 typer af fermioner, nemlig 6 kvarker og 6 leptoner.

De 6 kvarker er 3 positivt ladede up-type kvarker (kaldet up-, charm- og top-kvark) og 3 negativt ladede down-type kvarker (kaldet down-, strange- og bottom-kvarker). De har så også alle deres antipartikel med modsat ladning.

De 6 leptoner er 3 negativt ladede elektron-type leptoner (kaldet elektron, myon og tauon, alle med ladningen -1) og 3 ikke-ladede neutrino-type leptoner (kaldet elektron-, myon- og tauon-neutrino). De har så også alle deres antipartikel.

Til hver fermion i Standardmodellen svarer en boson med nøjagtig samme egenskaber . Det gælder selvfølgelig også omvendt: Til hver boson i Standardmodellen svarer en fermion med nøjagtig samme egenskaber . Specifikt skal massen og ladningen være den samme hos to modsvarende fermioner og bosoner [kilde].

De nye partikler ifølge Supersymmetri-princippet har navne baseret på navnene ifølge Standardmodellen [kilde]. Fermioners superpartnere er navngivet ved at sætte et "s" foran partikelnavnet. Således kaldes elektronens superpartner "en selektron", kvarkens superpartner kaldes "en skvark" osv. ).

Bosonerne har "heltalligt spin" (spin = "1"). Ifølge Standardmodellen findes følgende bosoner: W- boson (der har ladningen -1; og dens antipartikel W+, der har ladningen +1), Z boson, gluon (g), Higgs boson, foton (der alle – formentlig også Higgs boson – er uden ladning). Gravitonen (betegnet G og kaldt en boson med spin = 2) er ligesom Higgs boson ikke bekræftet, men forudsiges af visse kvantefeltteorier (den forudsiges ikke af Standardmodellen [kilde]. ).

Bosonernes superpartnere ifølge Supersymmetri-princippet er navngivet ved at sætte endelsen "-ino" på . Således kaldes W- partiklens superpartner "en Wino", fotonens superpartner kaldes "en fotino" og gluonens superpartner kaldes "en gluino" [kilde].

Ifølge Supersymmetri-princippet skulle elektronen altså være parret med "en selektron", fotonen med "en fotino" og så videre . (De fysisk observerede partikler i nogle modeller vil være superpositioner af disse partnere, hvorfor man ofte taler om gauginoer (partnere til gaugebosoner) . Man inddeler ofte blot de nye supersymmetriske fermioner i ladede charginoer og ikke-ladede neutralinoer [kilde].)

Modeller, der gør brug af Supersymmetri-princippet, indeholder en utroligt rig fænomenologi . I stedet for én Higgspartikel får man således fem : Higgs-sektoren bliver altså voldsomt meget mere kompleks i supersymmetriske teorier . (I supersymmetriske teorier kaldes Higgs-partiklernes superpartnere "higgsinoer", og disse higgsinoer kan mixe med gauginoerne [kilde]. ).

Egenskaberne ved supersymmetri er åbenlyst ikke realiseret i naturen som en eksakt symmetri [kilde].

Det hypotetiske supersymmetriprincip har visse tiltrækkende egenskaber:

1) Det er muligt at opskrive en supersymmetrisk og forenet teori ved høje energier, der nøjagtigt giver Standardmodellen ved de energier, som man kender [kilde].

2) Supersymmetri kan på naturlig vis forklare tilstedeværelsen af det såkaldte "mørke stof" i Universet [kilde].

3) Udover at kunne forene naturkræfterne har supersymmetri også den behagelige egenskab, at korrektionerne til Higgs-massen bliver væsentligt mindre [kilde]. Dette skyldes, at alle superpartnerne bidrager med modsat fortegn [kilde].

Supersymmetri-princippet kan medføre, at Higgs-massen bliver stabil [kilde]. (Dette lader sig dog kun gøre, hvis de letteste supersymmetri-partikler er lettere end 1 TeV . – Man taler om supersymmetri ved TeV-skalaen . (1 TeV, teraelektronvolt, er lig med 1000 GeV, gigaelektronvolt)).

Man har ved hjælp af supersymmetri-princippet lavet modelteorier, hvor naturkræfterne er forenet ved høje energier . De ekstra partikler i teorien korrigerer koblingskonstanterne, så de mødes [kilde]. (I en type af teorier, som kaldes Minimal Super-Gravity, er det tyngdekraften, der bryder supersymmetri . ).

Large Hadron Collider (LHC-acceleratoren) på CERN giver bedre muligheder end nogensinde før for at undersøge om, supersymmetri-princippet er en del af naturen [kilde].

Hvis supersymmetri findes i naturen ved TeV-skalaen, burde supersymmetriske partikler kunne dannes i sammenstød i LHC-acceleratoren [kilde]. Disse partikler vil henfalde i kaskader til "den letteste supersymmetriske partikel" (LSP), Partikler, der tyder på supersymmetri-princippet, kan altså vise sig ved LHC-eksperimenterne [kilde]. En kvarks superpartner (skvark) kan f.eks. tænkes at henfalde igennem en kaskade af sekundære partikler (via en neutralino og en slepton) til "den letteste supersymmetriske partikel" (LSP)[kilde]. (I dette tilfælde er LSP endnu en neutralino . ). Denne partikel er stabil og vekselvirker kun gennem den svage kernekraft . Den er derfor at betragte som en "tung neutrino". Den undslipper derfor detektoren uopdaget, men efterlader en ubalance . Denne ubalance kan kvantificeres ved at betragte begivenheden i et plan vinkelret (transverst) på protonstråle-aksen . Impulsbevarelse i dette plan giver os mulighed for at kvantificere størrelse og retning af den manglende, vinkelrette impuls [kilde].

(Neutrinoer har man længe anset for at være masseløse, men de har en meget lille masse ifølge Super Kamiokande eksperimentet i Japan: ["Detecting Neutrino Mass," af Edward Kearns, Takaaki Kajita og Yoji Totsuka; Scientific American, august 1999]. Neutrinoen kan tænkes at opnå sin masse ved at vekselvirke med et partnerfelt, som lever i de ekstra dimensioner. Som med gravitationen fortyndes vekselvirkningen meget af, at partneren spredes gennem de ekstra dimensioner og så opnår neutrinoen kun en lille masse.[kilde]. )

Supersymmetri-begivenheder er i de fleste modeller kendetegnet ved en meget høj grad af aktivitet . (I dette tilfælde kommer der fra denne ene supersymmetriske partikel en jet og to leptoner [kilde].)

Et eksempel på en supersymmetri-model er f.eks. den model, der kaldes "SPS 1a", hvor partiklerne er inddelt i familierne: Higgspartikler, sleptoner, charginoer/neutralinoer (superpartnere til W-, Z- og Higgs-partiklerne) samt skvarker + gluinoen [kilde]. Den letteste partikel er en neutralino [kilde]. I denne model er skvarkerne forholdsvis tunge, og der er et rigt udvalg af henfaldskæder til "den letteste supersymmetriske partikel" (LSP) . I kollisionen vil der ifølge denne model være dannet to supersymmetriske partikler, hvoraf den anden oftest går til tre jets og en neutralino [kilde]. For at teste om "SPS 1a" er en god supersymmetri-model, skal man kigge efter følgende elementer: To leptoner af samme type, men med modsat ladning, og fire jets (idet en jet opstår, når en kvark eller en gluon udsendes med stor energi).

Idet de forskellige supersymmetri-modeller forudsiger et komplet spektrum af partikler, er det imidlertid ikke nok at pege på en bestemt begivenhed og sige: "SUSY!" . Man er også nødt til at rekonstruere masserne af de involverede partikler og sammenligne med forskellige supersymmetri-modeller . Efterhånden som fysikernes data bliver mere og mere præcise vil man blive i stand til at udelukke eller bestyrke supersymmetri-modeller gennem sådanne målinger [kilde].

ATLAS-detektorerne skal sammen med CMS- og LHCb-detektorerne afsløre, om de kendte partikler (fermioner og bosoner) har supersymmetriske partnere, og hvilken rolle et sådan supersymmetri-princip kan have i en forenet teori [kilde].

¤¤¤

[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp#Kan man beskrive naturkræfterne som manifestationer af én naturkraft?|Kan man beskrive naturkræfterne som manifestationer af én naturkraft?]]
Supersymmetri løser mange teoretiske problemer ved partikelfysikkens Standardmodel; såsom spørgsmålet: "Lader det sig gøre at opskrive Standardmodellens naturkræfter som forskellige manifestationer af én kraft, hvorved naturkræfterne kan forenes på en naturlig måde?"

Det er et nemlig problem i Standardmodellen, at naturkræfterne ikke umiddelbart ser ud til at kunne forenes . Hvis man betragter styrken af de tre kendte naturkræfter (dvs. henholdsvis elektromagnetismen, den stærke og den svage kernekraft) ses det, at de nærmer sig hinanden ved højere energier . Imidlertid mødes de aldrig . Alle målinger indikerer, at de "skyder forbi" hinanden ved høje energier [kilde].

Det ville være mere naturligt, om disse tre kendte naturkræfter kunne beskrives som lav-energi-manifestationer af én naturkraft ved høj energi. Partikelfysikerne har i de sidste 20-30 år brugt mange kræfter på at finde netop sådan en forenet teori [kilde].

Standardmodellen er opskrevet som en matematisk teori, der er funderet i nogle parametre og antagelser om "gauge-symmetrier" . Massen af Higgs-partiklen bestemmes af disse parametre . Massen af Higgs-partiklen bliver derved en sum af mange positive tal, der kan være helt op til Planck-skalaen (1019 GeV) samt ét stort negativt tal . Imidlertid skal Higgs-massen ligge under 1 TeV [kilde].

Der er tilsyneladende et problem med supersymmetri-princippet , idet alle de nye partikler ifølge supersymmetri-princippet åbner op for nye henfaldskanaler [kilde].

Heriblandt skulle protonen lige pludselig kunne henfalde. At Supersymmetri-princippet medfører muligheden for, at protonen kan blive ustabil, er et problem . Det er et problem, fordi man endnu har til gode at observere et protonhenfald på trods af, at man i næsten 100 år har forsket i partikelfysik . Hvis protonen er ustabil, er dens levetid i hvert fald større end 1029 år [kilde].

For at løse dette problem indfører partikelfysikerne typisk et ekstra kvantetal, der er forskelligt for partikler og deres superpartnere . Dette kvantetal kaldes "R-paritet". En interessant konsekvens af dette kvantetal er, at den letteste superpartner ikke kan henfalde[kilde].

Hvorfor er noget stof usynligt? Vi ser kun en lille del af det stof, der er i Universet [kilde]. Det er et af de store spørgsmål i kosmologien, hvad resten af stoffet i Universet så er. Det er i dag alment accepteret, at store dele af dette resterende stof i Universet må være tunge partikler, der kun vekselvirker svagt [kilde].

Den samme mekanisme, som sikrer os, at protonen forbliver stabil, kan dermed forklare en af de store astronomiske gåder [kilde].

På trods af Standardmodellens enorme succes er der behov for at udvide den, bl.a. fordi man ellers har svært ved at forklare det mørke stof, der er observeret i galakser, hvor det mørke stof udgør omkring 6 gange så meget som almindeligt stof (atomerne) [kilde].

Supersymmetri-princippet giver i mange modelteorier en kandidat til mørkt stof [kilde].

En af de førende kandidater til supersymmetriske superpartnere er "neutralinoen" – den letteste og mest stabile superpartner og derfor en god kandidat til det mørke stof [kilde].

Netop denne kandidat er ledetråden for strategien for ATLAS-detektorkompleksets jagt på supersymmetri i LHC-acceleratoren [kilde].

Man har aldrig set supersymmetri-partikler . De må derfor enten være meget sjældne eller svære at se . Hvis masserne er under 1 TeV (som de skal være for at redde Higgs-massen) har man ingen grund til at tro, at de er sjældne . Hvis vi går ud fra, at de vekselvirker gennem den svage kernekraft, betyder det, at de er at betragte som "tunge neutrinoer", og de ville dermed være en perfekt kandidat til mørkt stof [kilde].

¤¤¤

[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp#Hvorfor er tyngdekraften så svag?|Hvorfor er tyngdekraften så svag?]]
For at forstå, hvorfor fysikerne søger efter supersymmetri på CERN, er det en god idé at kigge på nogle af de problemer, der er i partikelfysikkens Standardmodel . Et af disse problemer er hierarkiproblemet: Hvorfor er tyngdekraften så svag i forhold til de andre kræfter (den elektromagnetiske kraft og den stærke og svage kernekraft) [kilde].

Gravitationens svaghed er dramatisk: En lille magnet overvinder let hele Jordens masse, når magneten løfter et jernsøm op fra jorden. [kilde].

Gravitationen forekommer os kun vigtig, fordi store stofansamlinger (som os selv eller planeten, som vi bor på) er elektrisk neutrale. Af denne årsag er de elektriske kræfter uendeligt små. Det efterlader gravitationen som den eneste overskydende kraft, selv om den altså er meget svag.[kilde].

Isaac Newton foreslog sin lov om gravitation for over 300 år siden – altså den kraft, der får æblet til at fra ned fra grenen, holder vores fødder på jorden og i øvrigt Jorden i sin bane om Solen . Men fysikken kan stadig ikke forklare, hvorfor gravitation er så meget svagere end alle de andre kræfter[kilde]. F.eks. er den tyngdemæssige tiltrækning mellem to elektroner er 1043 gange svagere end den frastødende elektriske kraft mellem de to elektroner. Elektroner skulle være 1022 gange mere massive for at de tyngdemæssige kræfter mellem de to elektroner ville være ens med de elektriske kræfter imellem dem. At frembringe en så tung partikel ville kræve 1019 gigaelektronvolt (GeV) energi, – en mængde kendt som Planck-energien [kilde]. (En relateret størrelse er Planck-længden, som er små 10-35 meter. Til sammenligning er et brintatoms kerne (dvs. en proton) omkring 1019 gange så stor som Planck-længden og med en masse på omkring 1 GeV [kilde]. På Planck-skalaen bliver gravitation sammenlignelig i styrke med elektromagnetisme og de andre kendte kræfter. Derfor har fysikere antaget, at teorien, der forener gravitationen med de andre vekselvirkninger, kun ville kunne afsløres ved disse enorme energier på Planck-skalaen. Det ville betyde, at den endelige store, forenende teoris natur aldrig ville kunne eftervises eksperimentelt, idet Planck-skalaen for energi og længde er langt uden for rækkevidde for selv de mest kraftige acceleratorer. CERN's Large Hadron Collider (LHC) kan kun afprøve afstande ned til 10-19 meter.[kilde].

Dagens kraftigste acceleratorer undersøger energiområdet i størrelsesordenen 1000 GeV (gigaelektronvolt) (en teraelektronvolt eller TeV). I dette område har eksperimentatorerne set foreningen af den elektromagnetiske kraft og den svage vekselvirkning (en kraft mellem subatomare partikler, som er ansvarlig for visse typer radioaktivt henfald). Vi ville forstå gravitationens ekstraordinære svaghed, hvis vi forstod den faktor på 1016, der adskiller den elektrosvage skala fra Planck-skalaen.. Standardmodellen kan ikke forklare størrelsen af dette enorme gab. Standardmodellen er nemlig justeret til at passe med den observerede, elektrosvage skala.[kilde].

I 20 år har teoretikere angrebet gåden om den svage tyngdekraft i forhold til de andre tre kendte og langt kraftigere kræfter, kaldet "hierarkiproblemet". Det har de forsøgt ved at ændre på Standardmodellen. F.eks. ved hjælp af supersymmetri-princippet. Man har ikke direkte vidnesbyrd om at supersymmetri-princippet. Men man har indirekte vidnesbyrd: Når de målte styrker af de stærke, svage og elektromagnetiske kræfter ekstrapoleres til kortere afstande, mødes de kun meget nøjagtigt ved en fælles værdi, hvis ekstrapolationen styres af supersymmetriske regler, hvilket peger på en supersymmetrisk forening af disse tre kræfter ved omkring 10-32 meter, dvs. omkring 1000 gange større end Planck-længden. Dette er dog stadig langt hinsides partikelacceleratorernes rækkevidde.[kilde].

Planck-skalaens ekstraordinære skala (som er blevet accepteret i et århundrede, siden Planck først indførte den), er baseret på en uprøvet antagelse om, hvordan gravitation opfører sig på korte afstande.[kilde].

¤¤¤

[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp#Hvor mange dimensioner er der i Universet?|Hvor mange dimensioner er der i Universet?]]
Vort univers synes at have fire dimensioner: Nemlig tre dimensioner af rum (op-ned, venstre-højre, frem-tilbage) og en dimension af tid. Det er ikke umuligt at forestille sig, at man ved nærmere betragtning kan gå mellem forskellige dimensioner: En uldtråd kan betragtes som 1-dimensional, hvis der f.eks. står en myre 5 cm inde på tråden. I et mikroskop af den samme uldtråd vil vi måske opdage, at der kravler støvmider rundt på trådens 2-dimensionale overflade, og vi kan lade mikroskopet zoome 3-dimensionalt ned imellem uldfibrene.

Skønt vi dårligt kan forestille os yderligere dimensioner end de kendte, har matematikere og fysikere længe analyseret egenskaberne ved teoretiske rum, der har mange flere dimensioner.

At postulere ekstra dimensioner kan forekomme mærkeligt, men for fysikere er det en velkendt ide, som daterer sig tilbage til 1920'erne, da en polsk matematiker Theodor Kaluza og en svensk fysiker Oskar Klein udviklede en forenet teori om gravitation og elektromagnetisme, som krævede en ekstra dimension [kilde]. I over 90 år har man således haft idéen om eksistensen af ekstra dimensioner ud over vores fra dagligdagen velkendte fire dimensioner (der samlet kaldes "rumtiden", dvs. længde/bredde/dybde og tid) [kilde].

Ideen om flere dimensioner er blevet genoplivet i de moderne strengteorier, som kræver i alt 10 rumlige dimensioner for at opnå intern matematisk konsistens. [kilde].

Teorierne med de mange dimensioner er forsøg på at forstå gravitationen [kilde]. Muligheden for små ekstra dimensioner, hvor Universet er fanget på en firedimensional membran, ville kunne forklare, hvorfor tyngdekraften er så svag på partikelniveau [kilde]. Med opstarten af verdens kraftigste supermikroskop – Large Hadron Collider (LHC-acceleratoren) – kan eftersøgningen af sådanne små ekstra dimensioner begynde .

Tidligere har fysikerne antaget, at de ekstra dimensioner er krøllet op til små cirkler med en størrelse nær den traditionelle Planck-længde på 10-35 meter. De vil så ikke kunne påvises. Dette efterlader gåden om hieraki-problemet uløst. Men de ekstra dimensioner kan ifølge de nyere teorier være foldet til relativt store cirkler med mindst 10-14 meters radius – eller måske i så enorme cirkler som en millimeter.[kilde].

Man kan forestille sig, at alt stof og alle de kræfter, vi kender til – med undtagelse af gravitationen – er begrænset til en "tredimensional væg" i de ekstra dimensioners rum. Elektroner, protoner, fotoner og alle de andre partikler i Standardmodellen ville ifølge denne tankegang ikke kunne bevæge sig ud i de ekstra dimensioner. Elektriske og magnetiske feltlinier ville heller ikke kunne spredes ind i det højere dimensionerede rum. Derimod ville tyngdefeltets linier kunne udbrede sig i det højere dimensionerede rum. Den partikel, der transmitterer gravitationen, gravitonen, ville kunne rejse frit ind i de ekstra dimensioner, ifølge disse teorier. Tilstedeværelsen af de ekstra dimensioner kan derfor kun føles gennem gravitationen.[kilde].

For at lave en analogi kan man forestille sig, at alle partiklerne i Standardmodellen (f.eks. protoner og elektroner) er billardkugler, der bevæger sig på overfladen af et enormt billardbord. Hvad billardkuglerne angår ville universet være 2-dimensionalt. Ikke desto mindre ville billardbordets "billardbeboere" (på trods af at billardbeboerne selv var lavet af billardbolde) alligevel kunne detektere den højere dimensionerede verden: Når to bolde rammer hinanden tilstrækkeligt hårdt, ville de frembringe lydbølger, som ville bevæge sig bort fra den 2-dimensionale verden og ud i alle tre dimensioner og dermed føre noget af energien væk fra billardbordet, hvilket ville kunne påvises. I billardbordet-billedet er lydbølgerne analoge med gravitoner, som kan bevæge sig i det komplette, højere dimensionerede rum. I højenergi-partikel-kollisioner ville vi forvente at observere manglende energi som resultat af, at gravitoner undslipper til de ekstra dimensioner[kilde].

Skønt det kan forekomme mærkeligt, at nogle partikler skulle være begrænset til en "tredimensional væg", er lignende fænomener temmelig velkendte: F.eks. kan elektroner i en kobberledning kun bevæge sig i ledningens 1-dimensionale rum. Elektronerne bevæger sig ikke ind i det omgivende 3-dimensionale rum. På samme måde bevæger vandbølger sig primært på havets overflade, og ikke gennem havets dybder. Det specifikke scenario, som vi beskriver, i hvilket alle partikler med undtagelse af gravitationen er begrænset til en "3-dimensional væg", kan opstå naturligt i strengteori. Strengteorien indeholder sådanne "vægge", kaldet D-branes, hvor "brane" er afledt af ordet "membrane", og hvor "D" står for "Dirichlet", hvilket henviser til en matematisk egenskab ved branes. [kilde].

D-branes har præcis de krævede egenskaber: Partikler som elektroner og fotoner repræsenteres af små strengstykker, som hver har to endepunkter, der skal være fastgjort til en D-brane. Gravitoner er derimod små lukkede ringe af streng, der kan vandre ind i alle dimensionerne, fordi de ikke har nogen endepunkter, der forankrer dem til en D-brane.[kilde].

Standardmodellens partikler kan tænkes fanget på en 4 dimensional membran ("Brane") , så kun den kraftbærende partikel for tyngdekraften, gravitonen, kan bevæge sig frit i de ekstra dimensioner ("Bulk") [kilde].

Ideen om ekstra dimensioner fortsætter i øvrigt den Kopernikanske tradition for forståelse af vor plads i verden: Jorden er ikke centrum for solsystemet. Solen er ikke centrum for vores galakse. Vores galakse er kun en blandt milliarder galakser i et univers, der ikke har noget centrum. Med teorierne om et system med mange dimensioner, ville vores univers blot være en tynd membran i dimensionernes hele rum. [kilde].

Gravitationens styrke er ifølge teorierne intimt relateret til, hvor mange dimensioner den gennemtrænger. Således ville studier af gravitationens virkninger over afstande, der er mindre end en millimeter, kunne afsløre eksistensen af ekstra dimensioner for os. Sådanne eksperimenter er undervejs. Hvis sådanne dimensioner findes, ville vi måske i højenergipartikel-acceleratorer som LHC-acceleratoren kunne påvise dannelsen af bizarre kvante-gravitationsobjekter, såsom mikrosmå "sorte huller", graviton-partikler og superstrenge [kilde].

Hvis der findes store ekstra dimensioner, vil fysikerne i de kommende år måske opdage afvigelser fra Newtons lov nær 6 x 10-5 meter, og man vil måske detektere strengvibrationer på LHC-acceleratoren. Kvantegravitation og strengteori vil i så fald kunne blive til videnskab, der kan testes [kilde].

Oprindelsen til idéen om ekstra dimensioner tager sit udgangspunkt i partikelfysikkens søgen efter at forene alle naturens kræfter i én fuldstændig teori (på engelsk "Theory Of Everything", TOE), som beskriver verden på partikelniveau [kilde].

Partikelfysikkens Standardmodel har med succes kunne forklare alle eksperimentelle udfald til dags dato og modstået mere end 30 års ihærdige forsøg fra partikelfysikere på at finde afvigelser eller fejl . Alligevel ved man, at den ikke kan være den fuldstændige teori, for den inkluderer ikke den mest fundamentale kraft af alle: Tyngdekraften . Der har i årevis været gjort mange forsøg på at inkludere tyngdekraften i en komplet teori, men uden succes [kilde].

Strengteori anses i dag for at være en af de bedst udviklede formalismer til at kunne forene tyngdekraften med de 3 andre kendte kræfter i naturen [kilde]. Men for at dette kan lade sig gøre, kræves eksistensen af to radikale idéer: Supersymmetri-princippet og de ekstra dimensioner [kilde]. I strengteori bliver Supersymmetri og de ekstra dimensioner dog først relevante ved så store energier i partikel-kollisionerne, at man antageligt aldrig vil kunne opdage dem [kilde].

Planck-skalaen (Planck-massen) anses af fysikere for at angive den omtrentlige energiskala for kvante-gravitation [kilde]. Den er bestemt ved dimensionsanalyse. Planck-massen er en kombination af de fundamentale naturkonstanter for tyngdekraften (GN ), Relativitetsteorien (c) og kvantemekanikken (Nh ) .

I mange år har strengteorierne antaget, at der var 6 ekstra dimensioner ud over de 4 velkendte, altså 10 dimensioner i alt. Tyngdekraften og de 3 andre kræfter skulle således befinde sig i et 10-dimensionalt rum-tid-kontinuum [kilde].

Vi er alle bekendte med de sædvanlige 3 rumlige dimensioner: Højde, længde og dybde. Det er derimod svært at forestille sig, hvordan ekstra dimensioner vil se ud. Man har ikke set dem, men man burde på en eller anden måde kunne se effekten af dem under de rette forsøgsbetingelser . Et muligt svar på, hvorfor man ikke har set virkninger af de andre dimensioner, er, at disse ekstra dimensioner er så små i forhold til vores fire kendte dimensioner, at fysikerne ikke kan måle de andre dimensioner [kilde].

Fysikerne har været på jagt efter de ekstra dimensioners karakteristiske afstand, hvor tyngdekraften bliver lige så stærk som de andre kræfter . Forklaringen på, at de ekstra dimensioner er så små, kan skyldes at de er "krøllet" sammen via en såkaldt Kaluza-Klein mekanisme: Man kan forestille sig et sugerør, der er næsten uendeligt langt (de sædvanlige dimensioner) men meget tyndt (de ekstra dimensioner) [kilde]. Hvis dette virkeligt eksisterer, så vil ethvert fænomen knyttet til de ekstra dimensioner ligge langt udenfor rækkevidden af partikelfysik-eksperimenter på Jorden . Til sammenligning vil LHC-acceleratoren "kun" være følsom for effekter ned til 10-19 m [kilde], medens den naturlige størrelse i strengteorierne antages at være omkring Planck-længden, ca. 10-35 m.

I 1998 foreslog 3 teoretikere (Nima Arkani-Hamed, Savas Dimopoulos og Gia Dvali) muligheden for, at tyngdekraften er ene om at kunne bevæge sig i de ekstra dimensioner, mens alle andre partikler og kræfter er bundet til at bevæge sig i de sædvanlige fire dimensioner [kilde]. Dermed havde de født idéen om, at vores verden er en 4-dimensional membran i et højere dimensionalt rum . Dette var en stor aha-oplevelse for fysikerne, for de ekstra dimensioner behøvede ikke at være voldsomt små, hvis de tre kræfter, som man kender bedst, er fanget i 4 dimensioner og slet ikke kan mærke de ekstra dimensioner . At der så netop skulle være tale om flere andre dimensioner følger af matematikken, som beskriver disse ekstra dimensioner: For hvis der kun var én enkelt ekstra dimension ville det betyde, at den måtte have en størrelse svarende til vores solsystem – hvilket for længst burde være opdaget . Men allerede med blot 2 ekstra dimensioner bliver størrelsen mindre end 1 mm og med 3 ekstra dimensioner svarer størrelsen til diameteren på et atom [kilde].

Hvis man stiller spørgsmålet "Hvor præcist har man målt tyngdekraften på korte afstande?" bliver svaret: Forbavsende dårligt! Konventionelle ultra-præcise eksperimenter, der måler tyngdekraften mellem to massive objekter, kan i dag sætte en grænse for størrelsen af ekstra dimensioner på omkring 0,2 mm [kilde]. For at kunne sætte bedre grænser er det nødvendigt at bruge meget kraftige "mikroskoper" i form af partikelacceleratorer .

Moderne partikelacceleratorer rundt om i verden har indtil nu studeret de elektromagnetiske kræfter og de stærke og svage kernekræfter i kollisioner med energier op til 1000 GeV (gigaelektronvolt) uden at finde bevis for ekstra dimensioner. I dag forventer man derfor, at størrelsen af disse ekstra dimensioner er mindre end 10-18 meter . Dette svarer til, at hvis man forstørrer et atom til Jordens størrelse, så vil de ekstra dimensioner være på størrelse med et knappenålshoved eller mindre i forhold hertil [kilde].

En meget vigtig konsekvens af idéen om en 4-dimensional membran er, at tyngdekraften så faktisk slet ikke er svag . Forklaringen er, at en teori med flere dimensioner har en meget lavere Planck-skala, "MED", som kan være så lav som 1000 GeV/c2, hvorved tyngdekraften bliver lige så stærk, som de andre kræfter [kilde].

Den store værdi for den 4-dimensionale Planck-skala, "MP", skyldes manglen på de ekstra dimensioner: Med ekstra dimensioner spredes tyngdekraften ud i de ekstra dimensioner . Derfor svækkes tyngdekraften meget mere for afstande, der er mindre end størrelsen af de ekstra dimensioner . På store afstande ser man den sædvanlige svage styrke af tyngdekraften i 4 dimensioner [kilde].

Den virkelige Planck-skala er altså meget mindre, – og den synes kun meget høj, fordi man betragter tyngdekraften i 4 dimensioner [kilde].

På den måde fjerner eksistensen af ekstra dimensioner også problemet med Planck-skalaens betydning for massen af Higgs-partiklen – for nu er den virkelige Planck-skala omtrent magen til de andre skalaer i Standardmodellen [kilde].

På store afstande virker tyngdekraften svag, fordi man kun mærker den del af feltet, som udbreder sig i de normale tre dimensioner. Men på afstande, der er mindre end størrelsen af de ekstra dimensioner, kan man føle den fulde styrke af tyngdefeltet [kilde].

I dag har fysikerne udtænkt flere modeller med ekstra dimensioner, som man groft kan inddele i tre forskellige grupper: "Store ekstra dimensioner", "Universelle ekstra dimensioner" og "warped" (bøjede) ekstra dimensioner [kilde].

Grupperingen afspejler de forskellige antagelser om, hvorledes partikler og kræfter kan bevæge sig i de ekstra dimensioner . Fælles for alle modellerne er, at skalaen for tyngdekraften er meget lavere end Planck-massen [kilde].

Eksistensen af ekstra dimensioner vil kunne påvises. Afhængigt af hvilken størrelse, form og model, der beskriver de ekstra dimensioner, vil forskellige signaturer afsløre deres eksistens, f.eks. allerede under LHC-forsøgene . Alle modellerne for ekstra dimensioner giver anledning til en række nye bidrag til mange af de processer, som kan ske i sammenstødene mellem protonerne i LHC-acceleratoren. Nogle modeller giver anledning til nye partikler. Nogle modeller giver, hvis de er korrekte, produktion af sorte huller. At bestemme disse fingeraftryk fra ekstra dimensioner i en kollision i LHC-acceleratoren minder på mange måder om et detektivarbejde efter et voldsomt sammenstød mellem biler, hvor man skal finde alle, eller de rigtige, dele for at kunne bestemme bl.a. hastighed, bilmærke og model . Ud af en kollision i LHC-acceleratoren kommer i hundredvis af partikler, som hver især skal typebestemmes, og deres energi og bevægelsesretning skal måles . Derefter begynder det komplekse arbejde med at samle alle målingerne til et fuldstændigt billede af en enkelt kollision [kilde].

Den meget begrænsede størrelse og, endnu vigtigere, den periodiske form af de sammenkrøllede ekstra dimensioner medfører, at partikler, som bevæger sig i de ekstra dimensioner, kun kan have bestemte diskrete værdier af deres bevægelsesmængde langs disse . Afstanden mellem de enkelte værdier er omvendt proportional med radius . Dette svarer på mange måder til en guitar-streng, som foruden sin grundtone har et uendeligt antal overtoner med en fast afstand i frekvens, der kun afhænger af længden [kilde].

I lighed med en guitarstreng kan der være svingninger langs med de små ekstra dimensioner svarende til grundtonen og alle mulige overtoner . Hver overtone giver anledning til en ny anslået tilstand, en såkaldt KK-tilstand (fra Kaluza-Klein) [kilde].

Set fra vores 4-dimensionale verden vil partikler med bevægelsesmængde i de ekstra dimensioner synes at have en mindre bevægelsesmængde – de ser ud, som om de har fået ekstra masse. Partikler, som kan bevæge sig i de ekstra dimensioner vil således kunne komme med en uendelig "stige" af mulige bevægelsesmængder, som i 4 dimensioner ser ud som kopier af samme partikel med forskellige masser. Disse såkaldte KK-tilstande (fra Kaluza-Klein) kan i princippet skabes i kollisioner ved LHC-acceleratoren, hvis energien er høj nok [kilde].

Alle Standardmodellens partikler, som er fanget på den 4 dimensionale membran, har også KK-tilstande (fra Kaluza-Klein). Den relevante skala for deres uendelige stige af kopier er den nye og lavere Planck-skala, "MED", på 1000 GeV/c2 eller højere. Dermed kan LHC-acceleratoren faktisk producere disse nye KK-partikler, som f.eks. KK-elektroner, KK-fotoner osv.. Da alle disse tungere udgaver stadig mærker de andre kræfter i Standardmodellen, vil man være i stand til at påvise disse nye, dramatiske signaturer. Hvis de skabte KK-partikler henfalder, vil et af deres henfaldsprodukter altid være den tilsvarende meget lettere Standardmodel-partikel, som typisk vil have en voldsom energi, da den kommer fra en ekstrem tung KK-partikel [kilde].

Hvis de ekstra dimensioner ikke er alt for små, kan man være heldige at kunne producere flere (overtoner) af disse anslåede tilstande i LHC-acceleratoren og dermed ikke bare opdage ekstra dimensioner, men også bestemme antallet, størrelsen og endda formen af dem [kilde].

De fleste partikelfysikere håber, at der i LHC-acceleratoren vil blive fundet fænomener, der ikke kan forklares af Standardmodellen [kilde].

Et mål er simpelthen at se, hvad der ellers dannes af partikler ved ekstremt høje energier[kilde]. De første kollisioner af partikler i Large Hadron Collider (LHC) viste, at partikelknuseren producerede flere såkaldte mesoner, end forskerne regnede med, dvs. at antallet af mesoner steg mere, end man (ud fra tidligere forsøg baseret på kollisioner ved lavere energi) havde forventet. Da man så gik over til kollisioner med højere energi, dannedes lidt flere mesoner end forventet [kilde]. ]. Det betød, at metoden til at opdage sjældne partikler skulle finjusteres . "Resultaterne viste os, at vores forventninger ikke var helt forkerte, men man var nødt til at justere tingene en smule", siger fysikprofessor Gunther Roland fra Massachusetts Institute of Technology, der er leder af det internationale forskerteam, der stod bag opdagelsen .

Mesonerne opdeles hovedsageligt i pioner og kaoner. De opstår ved kollision mellem protoner i LHC-acceleratoren. I sig selv er mesonerne ikke interessante for forskerne, men man er nødt til at kende antallet af mesoner for at kunne opdage mere sjældne partikler, som f.eks. den mulige Higgs-partikel [kilde].

Med en energi på 7 TeV vil forskerne i løbet af nogle måneder begynde at få præcise målinger af partikler som W og Z bosonen samt top-kvarken [kilde].

Partikler, der tyder på ekstra dimensioner eller som tyder på at supersymmetri-princippet eksisterer, kan også vise sig, samt Higgs-partiklen, hvis denne viser sig at være tilstrækkelig let[kilde].

De næste 10 år med LHC-acceleratoren kommer på en eller anden måde til at stå i tyngdekraftens tegn.

¤¤¤

[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp# Hvad er tyngdekraften?|Hvad er tyngdekraften?]]
Tyngdekraften beskriver tiltrækningen mellem objekter, der har masse. Tyngdekraften er imidlertid ufuldstændigt beskrevet.

Måske er Higgs-partiklen en skjult manifestation af tyngdekraften. Da Higgs-mekanismens eneste formål er at forklare partiklernes masser, gemmer den manglende opdagelse af Higgs-partiklen måske indirekte på en mere fyldestgørende beskrivelse af selve tyngdekraften [kilde].

Med indførslen af Higgs-mekanismen og den tilhørende Higgs-partikel opstår et nyt problem, nemlig at skalaen for tyngdekraften (Planck-skalaen) nok er utroligt meget større end alle de andre kræfters skala, men den kan alligevel direkte influere på Higgs-partiklen og dens masse. Indførslen af supersymmetri-princippet er en mulig løsning på at begrænse dette problem [kilde]. Supersymmetri løser det teoretiske problem ved partikelfysikkens Standardmodel: "Hvordan holdes Higgsmassen nede?"

En anden, mere kontroversiel løsning (der ligeledes er inspireret af strengteori), er at introducere ekstra rumlige dimensioner (ED) ved lavere energier [kilde].

Foruden muligheden for at skabe et væld af nye KK-partikler, så betyder en tilstrækkelig lav karakteristisk skala for tyngdekraften, at man med sikkerhed vil kunne producere gravitationel stråling – også kaldet gravitoner – i LHC-acceleratoren. Da gravitonen kan vekselvirke med alle partikler, som har energi (hvilket jo også er masse), så vil gravitonen bidrage til mange processer, som kan skabes i kollisionerne i LHC-acceleratoren, dog kun betydeligt for kollisionsenergier omkring (lavere typer af Planck-skala) "MED" eller højere[kilde].

Hvis gravitonen kan bevæge sig i de ekstra dimensioner (hvis disse eksisterer), vil et muligt tegn på sådanne ekstra dimensioner være en kollision, hvor en partikel, og dermed energi, er "forsvundet", fordi en graviton er blevet sendt ud i de ekstra dimensioner [kilde]. Det ville i vores 4 dimensionale detektor komme til at se ud som om, at energi og bevægelsesmængde ikke er bevaret. En mulighed for at opdage ekstra dimensioner er altså at opdage en graviton, som forsvinder ud af vores 4 dimensioner.

Da energi og bevægelsesmængde er bevaret i en kollision, så forventer man, at partikler vil blive udsendt i alle retninger som et slags fyrværkeri . Et tydeligt tegn på ekstra dimensioner vil derfor være en kollision, hvor alle partikler kun udsendes i én bestemt retning, da det indikerer, at en usynlig partikel må være udsendt i modsat retning . Denne partikel kan være en graviton, som undslipper ud i de ekstra dimensioner . Neutrinoer vekselvirker kun meget svagt med almindeligt stof og kan derfor nemt bevæge sig igennem hele den enorme detektor uden at blive opdaget . Men typisk vil massen og energien af gravitonen være meget stor, og man forventer derfor at se et overskud af kollisioner, hvor der mangler meget energi i forhold til vores kendskab fra Standardmodellen [kilde].

Et af de mest spektakulære tegn på eksistensen af ekstra dimensioner er muligheden for at producere mikroskopiske sorte huller i LHC-acceleratoren [kilde].

Ifølge generel relativitetsteori vil et sort hul blive skabt, hvis et massivt objekt bliver sammenpresset på et meget lille område [kilde]. Den præcise mening af "meget lille" er givet ved den såkaldte "Schwarzschild-radius" [kilde].

Schwarzschild-radien for et massivt objekt med massen "m" er defineret som den størrelse, som objektet skal komprimeres til, for at man vil skulle bevæge sig med lysets hastighed for at kunne undslippe dets tyngdefelt [kilde].

Et sort hul opstår, når et objekt sammentrykkes til en størrelse, som er mindre end dets Schwarzschild-radius. Jordklodens Schwarzschild-radius er f.eks. på ca. 9 mm [kilde]. Sammenpresning af Jordkloden til under 9 mm vil altså gøre den usynlig.

Schwarzschild-radien afhænger, foruden af objektets masse, også af egenskaberne ved mulige skjulte ekstra dimensioner, da disse ændrer Planck-skalaen og dermed gravitationskonstanten [kilde].

I nogle af modellerne for ekstra dimensioner kan Schwarzschild-radien blive betydeligt større, og det bliver derved meget nemmere at lave et sort hul . Under disse forudsætninger kan der måske skabes sorte huller i kollisioner af protoner i LHC-acceleratoren . For når to protoner kolliderer i LHC-acceleratoren, vil der være en lille chance for, at et par af protonernes bestanddele (kvarker) vil ramme hinanden næsten perfekt med meget høj energi . Dermed vil der opstå en voldsom koncentration af energi på et minimalt område således, at systemet måske vil kunne kollapse og blive til et sort hul [kilde].

Hvor mange sorte huller forventer man at kunne skabe ved LHC? Svaret afhænger lidt af modellerne for de ekstra dimensioner, men for "MED" (meget lavere Planck-skala end normalt) på ca. 1000 GeV/c2 viser nogle af modellerne, at der kan blive produceret omkring 1 sort hul per sekund!

Umiddelbart kunne man tro, at skabelsen af et sort hul vil betyde enden for vores mulighed for at opdage ekstra dimensioner, da man per definition ikke kan se, hvad der sker inden i det sorte hul. Men mikroskopiske sorte huller har en lille masse og er derfor ekstremt ustabile. Intensiteten af Hawking-strålingen (den kvantemekaniske proces, som beskriver, hvorledes sorte huller kan udsende partikler) afhænger dramatisk af massen på det sorte hul. Jo mindre masse, det sorte hul har, des mere energi bliver der udsendt [kilde].

For mikroskopiske sorte huller, som ville blive produceret ved LHC-acceleratoren, betyder det, at de henfalder næsten lige så hurtigt, som de bliver skabt – typisk hurtigere end en billiontedel af en billiontedel af et sekund (10-25 s) [kilde]. Henfaldet af et sort hul vil dog efterlade et meget karakteristisk fingeraftryk af partikler i en detektor, i form af en meget symmetrisk eksplosion til en række partikler med høj energi, herunder sågar Higgs-partikler – hvis de altså eksisterer . Ved at studere antallet af sorte huller, der produceres, samt bestemme hvor mange og hvilke partikler, der skabes i deres henfald, kan man lære noget om antallet og størrelserne af de ekstra dimensioner .

¤¤¤

[[https://blog.bionyt.dk//partikelfysik.asp# Hvad består byggestenene til stof af?|Hvad består byggestenene til stof af?]]
Eksperimenter har vist, at atomer i sig selv ikke er fundamentale, men består af elektroner, protoner og neutroner . Så vidt vides er elektronen fundamental. Derimod er protoner og neutroner opbygget af kvarker [kilde]. Udover de byggesten, der er nødvendige for at opbygge atomer – og dermed alt stof omkring os – findes der også andre fundamentale partikler .

Nedenfor opsummeres de fundamentale partikler, som man kender til i dag, og kræfterne der virker imellem dem [kilde].

Byggestenene: Kvarker og leptoner. – Kvarker kan kombineres til protoner, neutroner, pioner osv. – Leptoner er partikler, såsom elektroner og neutrinoer . Leptoner indgår ikke i opbygningen af protoner og neutroner, og deltager derfor ikke i opbygningen af kernestof[kilde].

Protoner består af 2 up-kvarker og 1 down-kvark. Det kan skrives "uud". Neutroner består af 2 down-kvarker og 1 up-kvark. Det kan skrives "ddu". Atomkerner består af protoner og neutroner. Disse to atomkernekomponenter, protoner og neutroner, kaldes samlet for "nukleoner", og de er "baryoner" (fermioner).

Hver type atomkerne indeholder et bestemt antal protoner og et bestemt antal neutroner, og kaldes en isotop (eller en nuklid). Kernereaktioner kan ændre en isotop til en anden isotop.

Atomer er den mindste ikke-ladede partikel, som stof kan inddeles i ved hjælp af kemiske reaktioner (men ved fysiske påvirkninger kan man altså komme ned på kvark-niveau). Et atom består af en lille, tæt og tung atomkerne omgivet af en stor, let elektronsky. Hver type atom svarer til et bestemt kemisk grundstof. Man har foreløbig fundet eller fremstillet 117 forskellige grundstoffer. Disse inddeles ifølge "den periodiske tabel".

Molekyler er den mindste bestanddel af et stof, som stadig har bevaret sine kemiske og fysiske egenskaber. Et molekyle (der er opbygget af atomer) svarer derfor til en bestemt "kemisk forbindelse".

Kvarker og leptoner er altså så vidt vides fundamentale, også kaldet "elementære partikler". Det betyder, at de ikke har nogen indre struktur, dvs. at de ikke er opbygget af andre partikler [kilde].

Kvarker og leptoner klassificeres i tre familier ud fra deres ladning og masse. Der er store forskelle i masserne: topkvarken er 100.000 gange tungere end up-kvarken .

Partiklerne inddeles i "familier". Grunden til, at man i naturen næsten udelukkende finder partikler fra "1.familie", skyldes et vigtigt begreb i partikelfysikken, nemlig stabilitet [kilde]. For partikler fra "2. familie" og "3. familie" eller sammensætninger af sådanne, er det energimæssigt fordelagtigt at henfalde til partikler fra "1. familie",.

Tunge partikler er energirige, og kan derfor henfalde til lettere partikler. Det modsatte finder generelt ikke sted i naturen . Protoner og elektroner er stabile, fordi de er de letteste af deres slags. De har derfor ikke noget at henfalde til ( fordi visse fysiske love forhindrer dem i at henfalde til ren energi) [kilde].

Derfor består verden omkring os af protoner, neutroner (der er stabile, når de befinder sig i en atomkerne) og elektroner. Verden består ikke af deres tungere fætre [kilde].

Alle partiklerne har en antipartikel med den samme masse, men modsat elektrisk ladning[kilde]. For eksempel findes der både en up-kvark og en anti-up-kvark . Der findes også både en elektron og en anti-elektron (som har fået sit eget navn, positron).

Hvis verden kun havde bestået af stoflige partikler og intet andet, ville ingen partikel kunne påvirke nogen anden partikel. Men partikler kan vekselvirke med hinanden. På fundamentalt niveau fortolkes vekselvirkninger mellem partikler som udveksling af andre partikler – de såkaldte "kraftoverførere" eller "bosoner" . At noget begrebsmæssigt så uhåndgribeligt som kræfter kan beskrives ved noget så håndgribeligt som partikler kræver nok lidt tilvænning . Det er ikke desto mindre en særdeles attraktiv egenskab ved partikelfysikkens verdensbillede . For at forstå, hvordan noget, der virker over afstand, kan beskrives ved hjælp af overførsel af en partikel, kan man tænke på følgende eksempel fra vores makroskopiske verden [kilde]. :

To mænd står på hver deres båd. Den ene kaster en bold til den anden. Ved at kaste bolden til hinanden skubbes bådene fra hinanden på samme måde, som hvis der havde været fysisk kontakt mellem personerne på bådene . Eksemplet viser, at man kan opnå en frastødende kraft ved at udveksle en partikel. Analogien bliver lidt mere søgt for en tiltrækkende kraft (boomerang) [kilde].

Så vidt vides findes der 4 fundamentale kræfter i naturen: tyngdekraften, den svage kernekraft, elektromagnetismen og den stærke kernekraft . Alle disse beskrives i partikelfysikken ved hjælp af udveksling af en kraftoverførende partikel, som er specifik for den enkelte kraft [kilde].

Den kraftoverførende partikel for den elektromagnetiske kraft er fotonen. (Den elektromagnetiske kraft formidles ved hjælp af fotoner) [kilde].

Den kraftoverførende partikel for den svage kernekraft er Z og W-bosonerne. (Kraftoverførerne for den svage kernekraft er Z og W- bosonerne).

Den kraftoverførende partikel for den stærke kernekraft er 8 forskellige gluoner. (De 8 forskellinge gluoner bærer den stærke kernekraft) [kilde].

Den kraftoverførende partikel for tyngdekraften er (den hypotetiske) graviton. (Tyngdekraftens bærer hedder gravitonen). Gravitonen er endnu ikke observeret eksperimentelt, så man ved strengt taget ikke, om gravitonen findes) [kilde].

Hvis man leder efter en ny elementarpartikel med høj masse, så skal man bruge høj energi til at skabe den i laboratoriet.

Hvis man leder efter meget små bestanddele af stoffet, så skal man bruge en meget lille bølgelængde, dvs. også en meget høj energi [kilde].

Partikelfysik er således totalt afhængig af at kunne skubbe energifronten længere og længere ud ved hjælp af stadig stærkere partikel-acceleratorer . Med LHC-acceleratoren åbnes store muligheder for opdagelser i et nyt, højere energiområde, end man hidtil har kunnet studere [kilde].

At studere de allermindste partikler hænger nøje sammen med at forstå det allerstørste, nemlig sammensætningen af hele vores Univers . Men i vores forståelse af Universet på denne allermest fundamentale skala mangler der stadig en meget vigtig brik i puslespillet . LHC-acceleratoren vil forhåbentlig kaste det endelige lys over den del af teorien, der knytter sig til gåden om, hvorfor partikler har masse [kilde].

Partikelfysikkens Standardmodel er den teori, der beskriver naturen på den mest fundamentale skala [kilde].

I Standardmodellen er alle partikler repræsenteret af såkaldte "felter", der som klassiske bølger udbreder sig i tid og rum. Standardmodellens partikler overholder kvantemekanikkens og relativitetsteoriens lovmæssigheder [kilde].

Der findes to typer partikler; stoflige partikler (såsom elektronen) og kraftbærende partikler (såsom fotonen) [kilde]. Disse elementarpartikler udgør de fundamentale byggeklodser, som vores univers er opbygget af . Alle elementarpartiklerne i Standardmodellen, på nær gluonen og fotonen, har masse.

Standardmodellen gør det muligt at beregne, hvordan elementarpartiklerne vekselvirker med hinanden. Standardmodellens teoretiske forudsigelser er blevet testet ved eksperimenter gennem de sidste 30 år . Indtil videre har alle observationer stemt overens med teorien ned til promille præcision . Ved fire kollisionspunkter undervejs bringes de modgående protoner så tæt på hinanden, at de kan vekselvirke med hinanden via den stærke kernekraft, hvorved dele af protonernes bevægelsesenergi ("kinetiske energi") kan omdannes og skabe nye partikler. Da protonerne, der i LHC-acceleratoren under maximal drift vil bevæge mod hinanden begge har energien 7 TeV, vil den totale energi være 7 TeV + 7 TeV = 14 TeV, men ikke al energien er til rådighed til at danne nye partikler. Dette skyldes, at vekselvirkningen kun involverer to kvarker, medens de resterende kvarker fortsætter langs stråleretningen . En uheldig følge af dette er, at den totale energi (og dermed impulsen) i kollisionen ikke er kendt . I det vinkelrette (transversale) plan kan impulsbevarelsen imidlertid udnyttes, idet de indkomne protoner vides at bevæge sig udelukkende i på-langs-gående (longitudinale) retning, dvs. at impulsen i den vinkelrette (transversale) retning, er forsvindende lille før kollisionen [kilde]. Ved ydermere at sørge for, at detektoren indeslutter kollisionspunktet på nær selve strålerøret, således at alle de skabte partiklers impuls/energi bliver målt,, kan impulsbevarelsen benyttes i det vinkelrette (transversale) plan . Det betyder, at selv i begivenheder, hvor der kun dannes en svagt vekselvirkende neutrino eller en anden usynlig partikel, kan impulsen af denne beregnes som den manglende impuls ved at udnytte impulsbevarelsesprincippet samt det faktum, at alle andre partiklers impuls bestemmes via eksplicitte målinger af de spor, som partiklerne afsætter i ATLAS-detektorkomplekset .

ATLAS-detektorkomplekset er designet til at have de bredest mulige anvendelsesmuligheder, dvs. at man ved ATLAS både forventer at have et godt redskab til at lede efter ny fysik (såsom Higgs og supersymmetri) samt at være i stand til at måle kendte partiklers egenskaber med større nøjagtighed . Det sidste er også vigtigt, idet vores nuværende forståelse af de fundamentale partikler og deres vekselvirkninger foreskriver, at hvis man kan måle visse parametre meget præcis, så kan man udnytte denne viden til at forudsige størrelsen af andre parametre – for eksempel de parametre, der kendetegner ny fysik . Ved altså at foretage præcisionsmålinger af kendte partiklers egenskaber, kan man ud over at få et tjek af Standardmodellen også forudsige, hvorledes ny fysik kunne se ud i detektoren, og dermed påvise sådan ny fysik i det omfang, den eksisterer [kilde].

For bedst muligt at opfylde disse ambitioner er det nødvendigt at være i stand til at foretage præcisionsmålinger af:

– Elektroner og myoner .

– Fotoner (lys kvantum) .

– Ikke vekselvirkende partikler, såsom neutrinoer (måles ud fra manglende impuls) .

– Jets af partikler (en jet opstår f.eks. når en kvark eller en gluon udsendes med stor energi).

Det er nødvendigt at måle de mange forskellige størrelser i et miljø med 20 overlappende begivenheder, der i alt resulterer i ca. 2000 partikler skabt for hvert 25 nanosekunder . Den høje begivenhedsrate og partikeltæthed stiller høje krav til elektronikkens hurtighed og robusthed samt til sporfindingspræcisionen og har ført til designet af ATLAS-detektorkomplekset [kilde].

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-del6

Leave a Reply Cancel reply

SØG index

Recent Posts

Recent Comments

Archives

Categories

Meta

BioNyt