Naturens innerste hemmeligheter
Demokrit (ca. 460-ca. 370 f.Kr.) var den første som framsatte tanken om at alt er sammensatt av små, ikke-delbare biter. Delene kalte han atomer etter "atmos", det greske ordet for "udelelig". Hvor små disse udelelige byggesteinene er, eller hva de er bygd opp av, er fremdeles blant naturens aller innerste hemmeligheter. Likevel har norske forskere nå blant annet kunne bestemme hvor mange fundamentale byggesteiner som finnes. Resultatene er oppsiktsvekkende og vil inngå i kommende lærebøker i moderne fysikk.
Tekst: Morten Bremer Mærli
Fysikkprofessorene Lars Bugge (t.v.) og Alexander Read har møysommelig analysert dataene fra den norske SAT-detektoren i DELPHI-eksperimentet ved CERN, Det europeiske partikkelfysikk-senteret. Her er de ved detektoren som i dag befinner seg på Norsk Teknisk Museum i Oslo. (Foto: Ståle Skogstad)
- Naturens mest fundamentale byggesteiner kalles elementærpartikler. Forskjeller mellom ulike stoffer er, som Demokrit sa, bestemt av hvordan disse elementærpartiklene er satt sammen. Demokrit var nok på mange måter historiens første elementærpartikkelfysiker, sier Lars Bugge, professor ved Gruppen for eksperimentell partikkelfysikk ved Fysisk institutt, Universitetet i Oslo.
- Selv om vi i dag vet at atomer kan deles i mindre biter, brukes fremdeles betegnelsen "atomer" om grunnstoffenes minste deler. Atomkjernene er bygd opp av protoner og nøytroner, og disse kjernepartiklene er igjen bygd opp av enda mindre partikler kalt kvarker. Sammen med leptoner, som er en fellesbetegnelse på elek-troner, tyngre partikler som likner på elektroner og lette nøytrale partikler som kalles nøytrinoer, er kvarker kanskje de minste partiklene i naturen, sier han.
Ved Det europeiske partikkelfysikk-senteret CERN (fra den tidligere betegnelsen Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) i Genève har norske forskere sammen med et stort antall utenlandske kolleger sannsynliggjort at det bare finnes tre sett av sammenhørende par med leptoner og kvarker i naturen. Resultatene vil, ifølge Bugge, inngå i alle kommende lærebøker i moderne fysikk. Forskerne vet likevel ennå ikke om det finnes "subkvarker" eller andre mindre strukturer.
- Dagens partikkelfysikk har sitt dypeste eksperimentelle nivå på om lag én milliartedels milliartedels meter (10-18m). Kvarkene og leptonene er mindre enn dette. Det kan derfor ikke utelukkes at også kvarker og leptoner er bygd opp av mindre bestanddeler, forklarer han.
Atomet består av en kjerne, og rundt den kretser elektroner. Kjernen inneholder protoner og nøytroner, og disse er igjen bygd opp av kvarker. Kvarkene og leptonene er kanskje de minste partiklene i naturen, men det kan ikke utelukkes at de er bygd opp av mindre bestanddeler. (Figur: Kunnskapsforlaget ©)
Ballspill
Mens krefter for mennesker og dyr vil være bestemt av at vi kommer borti og skyver på ting, er det annerledes i partiklenes verden. Kjernepartikler påvirker hverandre når de kommer tilstrekkelig nær hverandre fordi bestanddelene (kvarkene) begynner å vekselvirke. Kjernekrefter er derfor ikke annet enn krefter mellom kvarker som "føler" hverandre.
- Sitter det to personer i hver sin båt og kaster en ball mellom seg, vil båtene gli fra hverandre på grunn av kraften som oppstår mellom dem. Ballen er "bærer" av denne kraften. Tilsvarende vekselvirker kvarker og leptoner ved å sende feltpartikler til hverandre. En slik feltpartikkel kalles Z0 og den er nøye studert ved CERN. Z0-partiklene omdannes til andre partikkelpar, og deres levetid er svært, svært kort.
- Levetiden, som vi kan måle, angir feltpartikkelens muligheter til å omvandles til nye partikler. Slik har vi blant annet kunnet fastslå antallet kvarker og leptoner, sier professoren, og fortsetter:
- Men det kan også tenkes at Z0-partikkelen omvandles på måter som vi i dag ikke kjenner til eller at de går over til nye og ukjente partikler. Jo mer presist vi kan måle, jo større er også følsomheten for ny fysikk, det vil si vekselvirkninger og partikler vi i dag ikke kjenner til, sier partikkelforskeren.
Forskningen kan også vise seg å spille en viktig rolle i forståelsen av det tidlige univers.
- I begynnelsen var universet sannsynligvis en slags gass eller plasma av elementærpartikler. Vi ser nå at det minste møter det største. Et nytt fagfelt, astropartikkelfysikk, trekker veksler både på elementærpartikkelfysikk og på kosmisk fysikk. Astrofysiske data viser at vel 90 prosent av materien i universet ikke er observert direkte. Mange forskere mener denne mørke materien kan bestå av hittil ukjente partikler, sier Bugge.
Greske tradisjoner
Demokrit var en foregangsmann, og tankene til de gamle grekere fungerer fremdeles som rettesnor for vår tids forskere innen partikkelfysikk. Mens dagens kunnskap tilsier at det sannsynligvis finnes 25 "grunnleggende" bestanddeler som kvarker, leptoner og "ballpartikler" som formidler krefter, hadde Aristoteles fire grunnelementer: jord, luft, ild og vann.
I jakten på naturens innerste bestanddeler forsøker også forskerne å forklare det komplekse med det enkle.
- For å forstå stoffenes indre strukturer og for å kunne utvikle generelle naturlover, søker vi også modeller med færrest mulig fundamentale partikler og med få typer av krefter som virker mellom disse partiklene, forklarer professoren.
Dagens modell for elementærpartikler og kreftene mellom disse har vist seg å være meget god og i overensstemmelse med alle kjente måleresultater. Modellen utgjør i dag forskernes viktigste rammeverk. Likevel viser denne Standardmodellen klare svakheter og må videreutvikles. Modellen sier ikke hvor mange elementærpartikler som finnes og kan ikke på en enkel måte forklare hvorfor elektronets ladning er akkurat det motsatte av protonets. Tyngdekraften inngår heller ikke i modellen.
Mange av størrelsene som inngår i modellen, må bestemmes eksperimentelt. Norske partikkelforskere har med sine nøyaktige målinger levert svært viktige bidrag i dette arbeidet.
- Under målingene ved Large Electron Positron collider, vanligvis forkortet til LEP, ved CERN, har vi i tillegg til å bestemme antallet elementærpartikler også kunnet forutsi massen til den tyngste av kvarkene, sier Bugge.
- Etter at vi ved indirekte målinger ved LEP hadde bestemt kvarkens masse til å være omkring 190 ganger så stor som protonets masse, kunne amerikanerne, som har svært kraftige akseleratorer, påvise denne eksperimentelt i 1995, sier han.
I LEP ved CERN akselereres elektroner og positroner i hver sin retning i en 27 km lang ringformet tunnel, om lag 100 m under bakkenivå (bildet under). Farten ligger tett oppunder lyshastigheten, over 11 000 runder rundt LEP i sekundet! Ved hjelp av detektorer (se figur) forsøker forskerne å registrere hva som foregår under kollisjonene. Partiklene smeller sammen i kraftige frontalkollisjoner og omvandles til nye partikkelpar med nye masser og ny energi. (Foto: CERN)
Frontalkollisjoner
I LEP ved CERN akselereres elektroner og positroner (positivt ladde elektroner) i hver sin retning i en 27 km lang ringformet tunnel, om lag 100 m under bakkenivå. Hastigheten ligger tett oppunder lyshastigheten, noe som betyr over 11 000 runder rundt LEP i sekundet! Partiklene smeller sammen i kraftige frontalkollisjoner og omvandles til nye partikkelpar med nye masser og ny energi. Alexander Read, som er professorkollega av Bugge og sterkt medvirkende til de norske resultatene etter et møysommelig analysearbeid av dataene fra detektorene i CERN, forklarer hvordan arbeidet foregår:
- Kollisjonene skjer i fire veldefinerte kollisjonspunkter hvor avanserte detektorer er stilt opp. Ved hjelp av disse forsøker forskerne å rekonstruere hva som foregår under kollisjonene: Hvor mange og hva slags partikler har gått gjennom detektoren, og hvilke retninger og hvilken energi hadde disse? Etter studier av et stort antall hendelser forsøker vi å finne hvilke strukturer som forekommer og hvilke lover som regjerer i elementærpartiklenes verden, sier Read.
Energien til partiklene som sirkulerer i LEP, måles med svært høy presisjon. Selv tidevannskrefter, som forandrer LEPs omkrets med cirka 1 millimeter, kraftig regnvær eller hurtigtoget TGVs avganger fra Genève, gir målbare effekter. Forskningsgrupper fra ulike land har ansvaret for hver sine detektordeler og for behandling og analyser av dataene. Den norske SAT-detektoren er i dag demontert og står utstilt på Norsk Teknisk Museum i Oslo.
- Sammenlikner vi resultatene fra alle fire detektorer som samler data ved LEP, viser det seg at den norske forskningsgruppen, bestående av elementærpartikkelfysikere fra Universitetet i Oslo og Universitetet i Bergen, helt klart kom best ut av den spesielle målingen de stod for i perioden fra 1989 til -93, sier Read stolt. Bugge følger opp og slår fast at det hele har vært et stort lagarbeid. Han framhever spesielt sine kolleger Arne Klovning i Bergen og Torleiv Buran i Oslo for deres sentrale roller i planlegging og bygging av apparaturen som ble brukt.
Industrielle anvendelser
Partikkelforskerne fra Fysisk institutt er glade for at det finnes mange eksempler på nyttige anvendelser som er drevet fram av grunnforskning innen kjerne- og partikkelfysikken.
- Utviklingen av akseleratorer har også gitt viktige medisinske anvendelser. Kreftterapi kan i dag skje ved hjelp av protonstråling hvor nærmest hele energiavsetningen skjer over et lite område der protonene stopper. Virkningen av strålene kan begrenses til en svulst, uten å skade friskt vev i særlig grad, selv om den ligger dypt inne i kroppen.
Bestråling med partikler har også viktige industrielle og andre anvendelser. Et eksempel er systemer for oppsporing av narkotika og eksplosiver, der gammastråler fra det bestrålte materialet angir hvilken type stoff det er, sier Bugge.
- Noen av våre produkter er et direkte resultat av den norske forskningsaktiviteten ved CERN og den spisskompetansen vi ervervet da vi utviklet den norske måledetektoren, sier produksjonssjef Bjørnar G. Tønnesen ved firmaet AME i Horten. Firmaet, som har 57 ansatte, produserer lysfølsomme detektorer og mikroelektronikk til medisinsk, industriell og militær bruk. Et annet norsk firma, IDE A/S, sender i disse dager produktet Bioscope ut på det internasjonale marked. Produktet har anvendelser innen medisinsk billedproduksjon og er også basert på kompetanse fra det norske detektorarbeidet.
- Enda en kvark ...?
Forskerne vil fortsette sitt arbeid, på jakt etter partikler og nye typer vekselvirkninger som ikke inngår i dagens standardmodell. Til dette kreves større akseleratorer med større energi, tilpasset partiklene og fenomenene forskerne ønsker å studere. Slikt koster penger.
- Planene er store, og prosjektene må planlegges mange år i forveien og baseres på internasjonalt samarbeid. Fram mot årtusenskiftet vil det ved LEP kjøres ved stadig høyere energi. Samtidig planlegges byggingen av en ny akselerator ved CERN, sier professor Bugge.
Men planene møter også motstand. En amerikansk senator spurte sarkastisk "We've got enough quarks already. What do we need another one for?", etter oppdagelsen av den tyngste kvarken i 1995.
- Denne typen spørsmål er ikke så uvanlig blant politikere og menigmann, ler Bugge.
- De forstår ikke alltid at grunnforskning utgjør basisen for all vår kunnskap og for all anvendt forskning. "Praktiske" bruk kjenner man sjelden til mens forskningsprosjektene foregår, sier han.
- Framtidige anvendelser får så være. Vi går dypere inn i materien og konsentrerer oss nå om å forstå opprinnelsen til elementærpartiklenes masser.
FAKTA
En av hovedaktivitetene innen norsk elementærpartikkelfysikk foregår innen DELPHI-eksperimentet (Detector for Lepton, Photon and Hadron Identification) ved LEP-akseleratoren (Large Electron Positron collider) ved CERN (fra den tidligere betegnelsen Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) i Genève.
Det deltar over 500 fysikere fra de fleste vesteuropeiske land, Øst-Europa, Russland og USA, fra mer enn 50 universiteter og forskningsinstitutter. Fra norsk side deltar gruppen for eksperimentell partikkelfysikk ved Universitetet i Bergen og gruppene for eksperimentell partikkelfysikk og elektronikk og måleteknikk ved Universitetet i Oslo.
I 1996 bidro Norge med NOK 84 millioner direkte over statsbudsjettet til kontingenten for CERN-medlemskap. Norges forskningsråd bidro med til sammen NOK 11,7 millioner i 1996 til nasjonal kjernefysikk, teoretisk kjerne- og partikkelfysikk og CERN-aktiviteter.
En "virtuell" vandring i elementærpartiklenes verden er mulig via Gruppen for eksperimentell partikkelfysikk sin populærvitenskapelige web-side:
http://www.fys.uio.no/epf/poppedpartphys.html, hvor det også finnes mye annen informasjon om pågående norsk og internasjonal forskning. For en beskrivelse av anlegg og aktiviteter ved CERN, se: http://www.cern.ch/