print logo

Gjenskaper øyeblikket etter Big Bang

Fysikere forbereder nå verdens største eksperiment for å finne universets minste partikler. De vil forstå hva som skjedde i universet rett etter Big Bang. Men først skal de finne forklaringen på hvorfor atomer har masse.

VERDENS STØRSTE EKSPERIMENT: For å løse de grunnleggende kvantefysiske problemene skal
fysikere fra hele verden undersøke hva som skjer når atomer kolliderer i en 27 kilometer lang akselerator som ligger hundre meter under bakken i grenseområdet mellom Sveits og Frankrike. Foto: CERN

Tjue fysikere fra Universitetet i Oslo deltar sammen med flere tusen internasjonale fysikere i verdens største fysikkeksperiment på CERN utenfor Genève. Der skal de løse grunnleggende kvantefysiske problemer og finne svar på fysikkens aller største gåter.

Etter ti års intense forberedelser er fysikerne snart klare til å sende de første partiklene rundt i verdens største partikkelakselerator. Akseleratoren er 27 kilometer lang og ligger i en tunnel hundre meter under bakken i grense-området mellom Sveits og Frankrike.

For å måle hva som skjer når partiklene kolliderer i lysets hastighet, har fysikerne bygd fire høyteknologiske detektorer, store som seks etasjes boligblokker. Fysikerne har en stor drøm. De vil spore opp verdens minste partikler og finne ut av hvordan universet er bygd opp, og hvordan tilstanden var i universet de dramatiske millisekundene før atomene ble dannet.

– Vi har forstått hva som har skjedd de siste 13,7 milliarder årene. Nå mangler vi bare forståelsen av hva som skjedde den første brøkdelen av et sekund etter Big Bang. Men denne brøkdelen av et sekund er den vanskeligste utfordringen vi har prøvd oss på i moderne fysikk, forteller postdoktor i partikkelfysikk, Bjørn Samset på Fysisk institutt ved Universitetet i Oslo.

I den ene detektoren, som kalles Alice , skal fysikerne studere hva som skjer når tunge blykjerner smeltes til plasma.

– Plasmaet var ursuppen i universet før det ble dannet atomkjerner og protoner (bestanddel i atomkjernen). Vi ønsker å gjenskape denne suppen for å se hva slags stoff en atomkjerne smelter til. Ved å studere dette plasmaet får vi informasjon om den sterkeste og vanskeligste av alle naturkreftene, den sterke kjernekraften, påpeker Bjørn Samset.

NEDE I AKSELERATOREN: - Atomene blir slynget rundt med en fart på nesten lysets hastighet, forklarer Bjørn Samset fra Fysisk institutt. Foto: Yngve Vogt

I plasmaskyen flyter kvarkene fritt. Kvarker er bitte små bestanddeler inne i protonene. Selv om forskerne allerede har klart å sortere kvarkene i seks forskjellige typer, vil de aldri, aldri klare å se en eneste kvark i virkeligheten.

– Slik er naturen. Når to atomkjerner smelter sammen, blir det et utrolig kaos. Kvarkene glemmer hvilke atomkjerner de tilhører. Under selve kollisjonen vil de flyte fritt i suppen. Det var akkurat slik hele universet var, den gangen det var en boble der alle kvarkene fløt fritt. På grunn av trykket vil boblen utvide seg, akkurat som en ballong, og når den er stor nok, har ikke kvarkene noe valg. Da vil de gruppere seg igjen, sier Samset.

Etter omfordelingen av kvarkene kan fysikerne observere nye partikler som er laget av både de gamle og nye kvarkene.

– Det vanskelige er at man aldri kan se det man har lyst til å se. Man ser bare sporene. Resten må beregnes matematisk, forteller Bjørn Samset.

Eksperimentene i akseleratoren skal også løse en rekke andre fundamentale fysikkproblemer. Hver av dem vil være små brikker i det gigantiske puslespillet for å skjønne universets sammenheng.

KOSTBAR JAKT: I den seks etasjer høye detektoren til flere milliarder kroner håper fysikerne å finne verdens minste partikkel. Foto: Yngve Vogt

Masseundringen

Et av de uløste problemene er hvorfor de minste partiklene har masse. Fysikerne har bare en teoretisk forklaring, og det er at massen må skyldes en bitte liten energipartikkel inne i atomkjernen som kalles for Higgs partikkel.

– Higgs-partikkelen er fysikernes gral, men er aldri blitt funnet, fastslår forsker Katarina Pajchel ved Fysisk institutt.

For å være helt sikker på at Higgs-partikkelen fins, skal flere tusen fysikere gjøre parallelle eksperimenter i to forskjellige detektorer plassert noen kilometer fra hverandre på partikkel-akseleratoren. Den ene heter Atlas, den andre CMS . Hver av dem har kostet flerfoldige milliarder kroner og er spesialdesignet for å se hva som skjer når protoner knuses.

– De to detektorene gjør nesten det samme. Hele poenget er at to uavhengige forskningsgrupper skal kappes om å løse den samme fysikkoppgaven og finne og tolke resultatene, sier Bjørn Samset.

I 1964 la professor i teoretisk fysikk, Peter Higgs , frem en matematisk modell som beskriver et elektromagnetisk felt i rommet. Feltet kalles for Higgs-feltet. Dette feltet består av Higgs-partikler. Når elementærpartikler, som kvarker og protoner, passerer feltet, blir de tyngre.

Den dagen Higgs-partikkelen er funnet, har fysikerne fått alle brikkene på plass i standardmodellen. Standardmodellen er teorien som forklarer hvordan elementærpartiklene danner alt stoff i universet og som beskriver tre av natur-kreftene (sterke kjernekrefter, svake kjernekrefter og elektromagnetisme).

Professor Steinar Stapnes ved Fysisk institutt er optimist. Han tror Higgs-partikkelen vil bli funnet innen utgangen av 2009, men påpeker likevel at det kan ta flere år før man er sikker, fordi fysikerne først må tolke enorme mengder med data.
– Skulle vi ikke finne Higgs, bryter teoriene våre sammen. Da er ikke standardmodellen så enkel som vi trodde, ler Stapnes, som også er nestleder på Atlas-detektoren i CERN.

Selv om Higgs-partikkelen blir funnet, gjenstår det en del problemer.

– Spørsmålet er også hvorfor alle protoner har nøyaktig den samme massen uansett hvilket grunnstoff protonene tilhører, påpeker professor Gunnar Løvhøiden ved Fysisk institutt.

UNIVERSETS UTVIKLING: Figuren viser universets utvikling fra Big Bang og frem til i dag, 13,7 milliarder år senere. Sirklene antyder noen spesielle tidspunkter i utviklingen.

Etter omtrent tre minutter hadde vi fått de første atomkjernene, og universet holdt en temperatur på én milliard grader. Etter tre hundre tusen år fikk vi atomer, og først da ble universet gjennomsiktig. I dag er temperaturen tre grader over det absolutte nullpunkt, og vi har fått galakser, planeter og mennesker. Samtidig fortsetter ekspansjonen, og universet blir stadig større og kaldere.

I dag forstår fysikerne hva som skjedde så langt tilbake som til 10 opphøyd i minus 10 sekunder etter Big Bang. Det er ikke mer enn et timilliarddels sekund. Eksperimentene på CERN vil forhåpentligvis gi fysikerne en forståelse helt tilbake til én billiontedels sekund etter Big Bang.

Illustrasjon: CERN

Supersymmetri

Selv om Higgs-oppdagelsen vil være en viktig oppdagelse for fysikerne, konstaterer partikkelfysiker Claire Timlin på CERN at de andre eksperimentene vil være enda mer spennende.

Fysikerne ønsker også å finne ut om naturen er supersymmetrisk. Supersymmetri betyr at det er symmetri mellom stoff og krefter. For hvert eksemplar av elektroner og kvarker mener fysikerne at det fins tilsvarende tyngre supersymmetriske partnere i verdensrommet. Disse supersymmetriske partiklene skal ha blitt skapt i løpet av den første brøkdelen av et sekund etter Big Bang. Hvis supersymmetrien stemmer, kan fysikerne både forklare en del av det som skjedde etter Big Bang og hvorfor det er mørk materie i verdensrommet.

Flere observasjoner viser at vel åtti prosent av materien i verdensrommet er mørk, ikke-synlig materie. På grunn av gravitasjonskraften vil den mørke materien klumpe seg sammen i verdensrommet. Den mørke materien kan forklare hvorfor stjernene beveger seg slik de gjør i galaksen vår.

– Vi tror det er en ukjent materie i galaksen som forklarer galaksens rotasjonshastigheter. Dette er mørk materie. Vi antar at dette er supersymmetriske partikler. De er tunge. Det er mye av dem. Det er denne partikkelen vi skal prøve å finne. Da kan vi løse et problem for kosmologene, sier Steinar Stapnes.

I midten av mai publiserte NASA nye indisier på at mørk materie fins. Nå gjenstår selve bevisene. Det er nettopp det som skal skje i Atlas-detektoren.

Og som om dette ikke er nok: Forskerne ønsker også å finne svarte hull i eksperimentet. Svarte hull er så tunge at ingenting unnslipper. Selv ikke lys.

– I eksperimentet vil sorte hull ha veldig kort levetid. Men selv om de lever kort, håper vi å se dem ved å observere de partiklene de fordamper til, understreker Katarina Pajchel.

Gravitasjonsteorien

Et av fysikernes største mål er å koble alle naturkreftene sammen. For 150 år siden oppdaget fysikerne at elektrisitet og magnetisme var en del av den samme kraften. Denne kraften er siden kalt for elektromagnetisme. To av de andre naturkreftene er sterke og svake kjernekrefter. Den svake kjernekraften ser vi blant annet i radioaktivitet. Den sterke kjernekraften er ti milliarder ganger sterkere og handler om gluoner. Gluoner er kraftbærende partikler som binder sammen kvarker til nøytroner og protoner.

Takket være giganteksperimentene i CERN, mener Bjørn Samset det vil være mulig å samle alle disse tre naturlovene i én og samme lov. Den store bøygen er sammenkoblingen med den fjerde natur-
loven, gravitasjonskraften. Einstein klarte det aldri.

– Einsteins teorier forklarer tyngdekraften, men Einsteins lover kan ikke kobles sammen med kvantemekaniske lover. Einstein antok at rommet krummer seg. Hvis noen faller ut av et fly, vil de ifølge Einstein bevege seg i den korteste linjen i tidsrommet og ikke på grunn av gravitasjon. For å koble sammen gravitasjonsteorien med de tre andre naturlovene, må vi skjønne tyngdekraften som kvanteteori. Da trenger vi en teori der partikkelen graviton inngår. Hvis vi er heldige og naturen er snill, kan disse gravitonene dukke opp i eksperimentet, håper Bjørn Samset.

Steinar Stapnes mener gravitasjons-teorien kan løses hvis man legger på noen ekstra dimensjoner.

– Seks til sju ekstra, romlige dimensjoner sammen med supersymmetriske partikler er en unik måte å forklare gravitasjonen på. Dimensjonene kan være så små at de ikke er observert. Det kan hende vi lever i et univers med for eksempel ti dimensjoner, men vi kan bare erfare tre av dem fordi kreftene kun opererer mellom disse tre dimensjonene, sier Steinar Stapnes.
Poenget er at en felles forståelse av de fire naturkreftene vil gi en unik forståelse av verden.

– Da kan vi beskrive alle mulige interaksjoner mellom partiklene i naturen. I dag har ingen lykkes med å finne en felles ramme for relativitetsteorien og de tre andre naturkreftene. Vi trenger eksperimentelle data for å bevise dette. Det er allerede nok teorier, sier professor Steinar Stapnes ved Fysisk institutt og nestleder på Atlas-detektoren i CERN.

Emneord: Matematikk og naturvitenskap, Fysikk, Kjerne- og elementærpartikkelfysikk Av Yngve Vogt
Publisert 1. okt. 2007 00:00