KVANT

Kosmiske partikler med meget høj energi rammer Jorden hele tiden. De højeste energier, der er målt, er over 10²⁰ eV, og det har i mange år været et mysterium, hvad kilden til disse partikler er. Under 10¹⁸ eV kommer partiklerne formentlig fra supernovarester i vores egen galakse, mens partikler med højere energi kommer fra ekstragalaktiske kilder. Nye resultater fra Pierre Auger eksperimentet viser, at partikler med meget høj energi med stor sandsynlighed kommer fra aktive galakser.

Er du nogensinde blevet ramt af en partikel fra oven? Selvfølgelig er du det! Kosmiske partikler regner ned over Jorden hvert sekund, og fysikere har i årevis kæmpet med at forklare hvor de kom fra og hvorfor nogle af dem synes at have energier der overstiger hvad der er teoretisk muligt. Mange modeller har været foreslået, og nu lader det endelig til at nogle af svarene er inde for rækkevidde.

Den kosmiske forbindelse til engagerende undervisning: Bring forskningen ind i klasseværelset! Dette er netop idéen bag DUKS projektet, der har som vision at knytte de danske gymnasier sammen i et netværk, som kan bringe forskningen ind i gymnasiet. Selve DUKS projektet søger at opbygge og operere forskellige målestationer til måling af ``extended airshowers'', dvs. byger af partikler stammende fra meget højenergetiske partikler fra det ydre rum, med henblik på senere at kunne skabe et dansk ``ground array'' gennem udvidelse til hvert eneste interesserede gymnasium.

Jagten på mørkt stof drejer sig om et af de mest fundamentale spørgsmål i astrofysikken. De mørke partikler er stadig ikke observeret eksperimentelt, men i mere end 10 år har man ledt efter dem i 1100 meters dybde i en mine i Boulby i det nordøstlige England.

Efter næsten 10 års byggeri er CERNs nye superledende proton-accelerator Large Hadron Collider (LHC) færdigbygget og ved at blive startet op. LHC bliver menneskehedens hidtil mest komplicerede fysikeksperiment. Partikelfysikerne holder vejret indtil de første protoner er blevet sendt rundt i den 27 km lange tunnel. Derefter kan eksperimenterne begynde. I denne artikel ser vi på LHC i overblik, mens specialartikler af forskere senere på året vil give indblik i forskellige aspekter af eksperimenterne ved LHC.

Efter en 15 år lang design- og konstruktionsperiode står LHC-acceleratoren dette efterår endelig over for sin "jomfrurejse". I artiklen gennemgås argumenterne, der ledte frem til LHC, og acceleratorens vigtigste egenskaber.

I disse dage accelereres de første protoner i Large Hadron Collider (LHC) ved det europæiske forskningscenter CERN ved Geneve. Som beskrevet i den første artikel i dette blad er LHC en cirkulær accelerator med en omkreds på 27 km placeret i en tunnel 100 m under Jordens overflade. Acceleratoren er i stand til at forsyne protoner med en rekordhøj energi på 7 TeV (teraelektronvolt = 10^12 eV) inden de to modsat rettede stråler bringes til kollision på udvalgte positioner langs ringen. Omkring disse punkter er der bygget detektorer, hvis formål er at måle hvad der skete under kollisionen - denne artikel handler om ét af disse eksperimenter: ATLAS eksperimentet [1].

Eksperimenter har vist at atomer i sig selv ikke er fundamentale, men består af elektroner, protoner og neutroner. Så vidt vides er elektronen fundamental, hvorimod protoner og neutroner er opbygget af kvarker. Udover de byggesten der er nødvendige for at opbygge atomer - og dermed alt stoffet omkring os - findes der også andre fundamentale partikler. Denne artikel opsummerer de fundamentale partikler vi kender til idag og kræfterne der virker imellem dem.

At studere de allermindste partikler hænger nøje sammen med at forstå det allerstørste, nemlig vores univers. Men i vores forståelse af Universet på denne allermest fundamentale skala mangler der stadig en meget vigtig brik i puslespillet. De kommende detektor-eksperimenter ved LHC vil forhåbentligt kaste det endelige lys over denne del af teorien der knytter sig til gåden om hvorfor partikler har masse.

Idéen om ekstra dimensioner ud over vores, fra dagligdagen, velkendte fire dimensioner, har eksisteret i ca. 90 år. Muligheden for små ekstra dimensioner, hvor Universet er fanget på en firedimensional membran, kan forklare hvorfor tyngdekraften er så svag på partikelniveau. Med opstarten af verdens kraftigste supermikroskop - Large Hadron Collider - kan eftersøgningen af små ekstra dimensioner begynde.

Supersymmetri er en af de mest lovende udvidelser til partikelfysikkens Standardmodel. Den løser mange teoretiske problemer omkring modellen; hvordan holdes Higgsmassen nede? Lader det sig gøre at opskrive Standardmodellens naturkræfter som forskellige manifestationer af én kraft? Supersymmetri kan også på naturlig vis forklare tilstedeværelsen af det såkaldte mørke stof i Universet. I år når ATLAS-eksperimentet starter ved Large Hadron Collider på CERN, får vi bedre muligheder end nogensinde før for at undersøge om supersymmetri er en del af naturen.

Behandlingen af data fra LHC kræver et verdensomspændende netværk af computere. I denne artikel gennemgås nogle af udfordringerne ved konstruktionen og brugen af dette.

Sorte huller er en af de mest spektakulære forudsigelser af Einsteins Almene Relativitetsteori. Deres eksistens udfordrer de fundamentale begreber i fysikken så en forståelse af deres egenskaber er afgørende i vores søgen efter de fundamentale naturlove, specielt for en kvantisering af tyngdekraften. Strengteori, som er et af de mest lovende bud på en teori for de fundamentale naturlove, antager at der er flere rumlige dimensioner end de sædvanlige tre. Man kan derfor spørge, hvilke konsekvenser disse ekstra dimensioner har for sorte hullers fysik. I de sidste syv år har der været mange nye opdagelser, som tilsammen peger på, at sorte huller i ekstra dimensioner har nye og overraskende egenskaber, og at der er et ekstremt rigt landskab af mulige sorte huller.

En række nylige artikler i KVANT har beskrevet CERNs Large Hadron Collider (LHC). Det er den nyeste "energifront" i udforskningen af universets elementære bestanddele. Vor viden om disse ting vil altid være begrænset af energien af de elementære prober, som bruges til at undersøge stoffet. Hvis man leder efter en ny elementær partikel med høj masse, så skal man bruge høj energi til at skabe den i laboratoriet, og hvis man leder efter meget små bestanddele af stoffet, så skal man bruge en meget lille bølgelængde, dvs igen en meget høj energi. Partikelfysik er således totalt afhængig af stadigt at kunne skubbe energifronten længere ud ved hjælp af partikel-acceleratorer. Med LHC åbnes store muligheder for opdagelser i et nyt energiområde.

Traditionelt er partikelteorier og strengteorier blevet opfattet som konkurrerende teorier. Ny forskning har imidlertid vist, at simple kvantemekaniske systemer, kaldet spinkæder, kan udgøre bindeledet mellem de to typer af teorier. Som konsekvens heraf må vi nu forstå partikel- og strengteorier som komplementære, sameksisterende teorier.

Det tidlige univers bestod, indtil omkring en milliontedel sekund efter Big Bang, af en blanding af de partikler vi i dag anser for fundamentale: kvarkerne, og leptonerne og de kraftformidlende partikler, gluoner, fotoner, W- og Z-bosoner og gravitoner (disse sidste er dog endnu ikke påvist eksperimentelt). Omkring dette tidspunkt var Universets tæthed og temperatur faldet så meget, at de letteste kvarker kunne bindes i baryonerne tre ad gangen, og derved danne f.eks. protoner og neutroner. Siden det første mikrosekund har kvarkerne været gemt væk i kernepartiklerne.

I denne artikel vil vi give en introduktion til nogle af de væsentligste træk ved kosmologiens standardmodel -- Big Bang-teorien. Teorien beskriver egentlig kun Universets geometri og dynamik, men sammen med kvantefysikken kan stoffets strukturer forklares på mange skalaer. For at få alt til at passe, må man dog medregne en hypotetisk udvidelse i det tidlige univers, kaldet inflationen. Big Bang-teorien kan imidlertid ikke forklare selve begyndelsen.

Hvorfor er vi interesserede i at forene Einsteins almene relativitetsteori, teorien for makrokosmos, og kvantemekanik, teorien for mikrokosmos? En sådan teori vil måske kunne forklare Big Bang.

Vi vil skitsere nogle principper og resultater i et omfattende projekt, der prøver at undersøge sammenhænge mellem muligheden for liv, som vi kender det, og fysikkens naturlove, som vi kan forestille os dem.

Higgs-bosonen er den eneste partikel forudsagt af partikelfysikkens Standardmodel, som ikke er blevet observeret eksperimentelt endnu. Det er essentielt at afgøre, hvorvidt den findes eller ej. At finde Higgs-bosonen er derfor et af de vigtigste mål for eksperimenterne ATLAS og CMS ved Large Hadron Collider (LHC) ved CERN nær Geneve.

Neutrinoer er de letteste partikler vi kender til, og alligevel står de bag nogle af de største mysterier i moderne fysik: Vi ved ikke hvad de vejer, og vi kan ikke rigtig blive enige om, hvor mange slags der findes.

Sidst jeg skrev en artikel om Higgs-partiklen (KVANT nr. 2, 2012) hævdede jeg, at 2012 ville blive året for Higgs. Sjældent har jeg ramt mere plet! Den 4. juli 2012, efter et ekstremt succesfuldt år med dataopsamling, kunne de to eksperimenter ved CERN, som hedder CMS og ATLAS, annoncere opdagelsen af en Higgs-lignende partikel. Dette er en af de største opdagelser i partikelfysikken i nyere tid, og dagen blev ekstra følelsesbetonet af, at professor Peter Higgs selv var tilstede i auditoriet og med sine egne øjne så præsentationen af de resultater, som han sikkert har drømt om det meste af sin karriere. Her gøres der status over, hvad vi foreløbig kan sige om den nye bosons egenskaber.

Den 29. september er der inviteret til fødselsdagsfest på det europæiske forskningscenter for partikelfysik, CERN, på grænsen mellem Schweiz og Frankrig. Organisationen bag CERN fylder 60 år. Det fejres ved at indbyde statsoverhoveder fra alle medlemslandene og ved i løbet af året at lave en række arrangementer rundt omkring i Europa. Dette nummer af KVANT er med en række artikler med relation til CERN og partikelfysik et bidrag til festen.

CERN står for Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire. Organisationen blev officielt indviet med en traktat mellem 11 europæiske lande, heriblandt Danmark, i 1954 og har således rund fødselsdag i 2014. Traktaten siger blandt andet at organisationen skal tilvejebringe europæisk samarbejde i kerneforskning af ren videnskabelig og fundamental karakter, og at forskningen skal være offentligt tilgængelig og fremme europæisk samarbejde.

Opdagelsen af Higgs-partiklen den 4. juli 2012 af ATLAS- og CMS-eksperimenterne ved CERN var den foreløbige kulmination på næsten et halvt århundredes jagt på én af de mest centrale udfordringer i vores forståelse af de fundamentale naturlove. Siden da har mere data og forbedrede analysemetoder slået fast, at det observerede signal rent faktisk ligner den Higgs-partikel, som Standardmodellen (SM) forudsagde. Til gengæld har der ikke været nogen tegn på fysik ud over Standardmodellen til trods for, at man har søgt intensivt efter tegn på ny fysik. Jagten har givet en masse udelukkede muligheder, som får én til at overveje, hvilke yderligere naturlove Universet har valgt, og om disse overhovedet kan opdages ved LHC. Men LHC-acceleratoren har foreløbig kun leveret 2 % af det forventede antal proton-kollisioner og disse ''kun'' ved halvdelen af LHCs designenergi på 14 TeV. Næste år genstarter LHC ved den dobbelte energi, og dermed fortsætter jagten på nye partikler og fænomener, som måske kan forklare hvad fx det mørke stof i Universet består af og hvorfor der er mere stof end antistof.

Der har i de seneste aa r vae ret en revolution af beregningsmetoderne for amplituder i kvantefeltteorien. Dette har gjort det praktisk muligt fra teoretisk side at matche den stro m af nye eksperimentelle data som Large Hadron Collider ved CERN har givet os. Metoderne giver også inspiration til nytae nkning og udvikling af nye fundamentale teorier.

Ét af de steder som er oplagt at besøge, når man rejser på studietur med fysik, er det europæiske partikelfysikcenter CERN, der ligger ved Geneve i Schweiz. Her berettes om to dages besøg i april 2014.

Med Large Hadron Collider har CERN et banebrydende fysik-program, der strækker sig omkring to årtier frem i tiden. Sideløbende arbejdes der med planlægning og udvikling af næste generation af acceleratorer. Opdagelsen af Higgs-bosonen har givet et nyt vigtigt pejlemærke for valg af næste acceleratorprojekt. Præcise studier af den nye partikel vil kunne afgøre dens natur og dermed muligvis afdække 'ny fysik', altså fysik hinsides partikelfysikkens Standardmodel. Meget peger på, at den næste store accelerator bliver en elektron-positron-collider. Hvor man i lang tid er gået ud fra, at dette ville blive en lineær collider, har den forholdsvis lave masse af Higgs-bosonen åbnet overvejelser om, hvorvidt en cirkulær collider ville være at foretrække.

Et eksempel på ingeniørarbejdet bag sikkerhedssystemer i Large Hadron Collider (LHC) forklares; et feasibility study om måling af abort gap intensiteten med diamantdetektorer vha. interaktioner mellem neon og protonerne i LHC.

Ved Large Hadron Collider på CERN er en måned om året afsat til et tungionsprogram, hvor man kolliderer store atomkerner. Målet for dette program er, at studere kvark-gluon plasma (forkortet 'QGP' efter ''Quark Gluon Plasma''), en makroskopisk ny tilstand for kvarker med stærke kollektive egenskaber. I det tidlige univers, få mikrosekunder efter Big Bang, indtraf en faseovergang, hvor kvarkerne gik fra at udgøre et QGP til at blive indespærret i protoner og neutroner (se KVANT nr. 4, 2010). Det er denne oprindelige QGP-fase vi genskaber i laboratoriet og som har vist sig at have mange overraskende egenskaber, bl.a. at den opfører sig som den mest perfekte væske vi kender til.

Den almene relativitetsteori kan formuleres som en effektiv feltteori. Hermed opnås en perturbativ kvantemekanisk partikelfysisk beskrivelse af tyngdekraften i princippet op til energier i nærheden af Planck-skalaen. Det giver nye muligheder for anvendelser i højenergifysikken, herunder præcise teoretiske forudsigelser af kvantegravitationelle effekter.

Ligesom alle fysikere kender navnet Albert Einstein, kender alle matematikere navnet Emmy Noether. Men at Noether også var en stor teoretisk fysiker, kommer nok som en overraskelse for mange matematikere og en del fysikere. Amalie Emmy Noether (1882-1935) var en tysk matematiker og fysiker, som revolutionerede den matematiske disciplin algebra i sin levetid. Hun var hovedkraften bag skabelsen af den abstrakte algebra. Men nu, mange år efter hendes død, betragtes hun også blandt mange fysikere som en person, der revolutionerede fysikkens grundlag. Det er især partikelfysikere, som er blevet begejstrede over Noethers resultater.