Partikler flyr i formasjon – nye typer stoff sett ved CERN?

Hvorfor flyr fly i formasjon? Det vet ikke kollokvium noe om. Hvorfor flyr partikler i formasjon? Jo, se det kan være svært så interessant…

Når du smeller atomkjerner sammen ved lysets hastighet kommer det partikler flygende ut i formasjon. Hvorfor det? Et nytt resultat fra ekperimentet CMS ved LHC på CERN får – igjen – paritkkelforskere til å klø seg i hodet. Forklaringen kan vise seg å involvere ikke bare en men to nye, sære typer stoff. Nok en gang viser eksperimenter med naturens minste byggestener at vi ikke kan ta noe for gitt når kvantefysikk og sterk kjernekraft er inne i bildet.

For å lete etter nye partikler vil vi ha enkle kollisjoner

En partikkelakselerator er en maskin laget for å gi fart til naturens minste byggestener, og så smelle dem sammen. Ved LHC på CERN, som for tiden er verdens kraftigste akselerator, jobber de normalt med protoner. Et proton er kjernen i hydrogenatomet, den minste og enkleste av alle atomkjerner. Når vi forenkler sier vi gjerne at protonet består av tre kvarker (to av typen opp og en av typen ned) og en liten bunke gluoner, som er partiklene som bærer den sterke kjernekraften. Uten den sterke kjernekraften ville hverken protonene eller større atomkjerner holdt seg sammen. Dette bildet er imidlertid ganske langt fra den infløkte sannheten – mer om det om litt.

Når CERN leter etter nye partikler, som for eksempel det beryktede Higgs-bosonet, så kolliderer de to protoner med så høy energi som mulig. Håpet er at smellet skal inneholde så mye energi at, som ved et vitenslag, dukker det opp nye og ukjente partikler. Dette kan skje siden energi og masse er to sider av samme sak (E=mc2, energi er lik masse ganger lysets hastighet kvadrert). I de fleste kollisjonene dukker det bare opp en skur med små, relativt uinteressante partikler, men en sjelden gang kan man være heldig og få dannet noe vi ikke har sett før.

LHC kan også kollidere tyngre atomkjerner

To tunge atomkjerner gikk over veien. Så ble den ene overkjørt. Hva sa den andre?

Men: Ikke all forskning ved LHC handler om å oppdage nye partikler. Et annet uløst spørsmål er hvordan atomkjernene – de som kollideres – faktisk virker. Eller sagt på en annen måte: Den sterke kjernekraften, som binder atomkjernene sammen, er enda stort sett ukjent for oss.  Vil vi studere dette er det mindre interessant med de få kollisjonene som produserer sære, nye partikler. Da er vi i steden interesserte i nettopp den vanlige, kjedelige (?) skuren av partikler. Hvor mange partikler – i snitt – ble dannet? Hvilke typer ble det flest av? Og ikke minst: Hvilke retninger fløy de i?

En mulighet man da kan utnytte er å ikke kollidere bare protoner, men også tunge atomkjerner. Gull og bly er vanlige valg – de er store og helt runde kjerner, og relativt lette å få tak i. En blykjerne består av 208 bestanddeler – 82 protoner og 126 nøytroner. Når to blykjerner kolliderer tilsvarer det en hel haug med proton-proton-kollisjoner. Men oppfører den seg sånn? Er en bly-bly-kollisjon bare summen av en bråta med proton-proton-kollisjoner? Hvis ikke så må forskjellen komme av at blykjernen er satt sammen av mange partikler som alle føler den sterke kjernekraften, og dermend kan vi lære noe om nettopp den sterke kjernekraften.

Nok en mulighet er å gjøre noe midt i mellom. Hvis vi også kolliderer protoner med blykjerner (noe lett mot noe tungt) så kan vi forvente noen av de samme egenskapene til de små kollisjonene og noen av de fra de store.

Tungionefysikk – en historikk

Akseleratorene ved Brookhaven National Lab på Long Island, New York – en høyborg for tungionefysikk fra 1960-tallet og frem til i dag. Lab’en er full av hjort, kalkuner, flått, fysikere – og (visstnok) et utenomjordisk romskip.

Denne typen forskning – kalt tungionefysikk, siden de bruker tunge ioner, eller atomkerner uten elektronene sine – har vært drevet siden 60-tallet. Spesielt to laboratorier har vært viktige: CERN, med sin SPS-akselerator og senere den gedigne LHC, og Brookhaven National Laboritory utenfor New York i USA, med maskinene AGS og RHIC.

Hovedspørsmålet innen tungionefysikk har hele tiden vært dette: Hva blir atomkjerner til når de smelter? Teorien, utviklet på 80-tallet, er at når det blir varmt og tett nok (som det kanskje blir i en kjerne-kjerne-kollisjon) så presses protonene og nøytronene så tett på hverandre at de mister identiteten sin. Kvarkene og gluonene som de består av flyter fritt rundt hverandre i en slags suppe – et kvark-gluon-plasma (QGP). Mens ideen er enkel så er egenskapene til et slikt plasma veldig usikre. Hvor mye energi vil det kreve å få laget det? Hvordan oppfører det seg i såfall – som en gass, som en væske, som en murstein? Og rett og slett: går det an å få laget det?

Eksperimentene på CERNs SPS-akselerator hevdet rundt år 2000 at de hadde sett hint av et slikt stoff i kollisjonene sine. Dette var en annonsering som ble kritisert for å være litt vel populistisk, siden den kom rett før Brookhavens da nye maskin RHIC skulle starte opp og ville bli verdensledende. Man hadde ingen rykende pistoler å vise til, bare en rekke indisier. Ettertiden har likevel vist at de nok hadde sett noe – starten på dannelsen av et kvark-gluon-plasma som oppførte seg helt annerledes enn det de fleste ventet.

RHIC gjorde vei i vellinga, og etter et par år hadde de fire eksperimentene der – STAR, PHENIX, PHOBOS og BRAHMS – etablert at i deres kollisjoner så smeltet atomkjernene til det de etter hvert kalte et sQGP, for Strongly interacting Quark Gluon Plasma. Der de fleste hadde ventet seg en slags gass av kvarker, så var dette heller en tett, varm og seig sirupssuppe av kjernepartikler.

Formasjonsflygning og hodekløe

Samtidig gjorde et av de små RHIC-eksperimentene (der forfatteren deltok i de tider), en oppdagelse. Tenk deg at atomkjernene kolliderer langs et ret kosteskaft. BRAHMS kunne studere antallet små partikler som ble laget og fløy utover og vekk fra kosteskaftet, og dessuten også hvor mange som fløy fremover og bakover nesten parallelt med det. Ingen av de andre eksperimentene kunne se partikler som fløy på den måten. Når RHIC etter hvert hadde kollidert både tunge atomkjerner, lette protoner og protoner mot atomkjerner slik vi beskrev over så ble noe klart. Det fløy for få partikler fremover i kollisjonene mellom proton og kjerne – de mellomstore kollisjonene. Hvorfor det? Hva kunne stanse eller dytte bort partiklene som ellers burde fløyet fremover?

Like før eksperimentene ble gjort hadde teoretikere forutsagt en mulighet som var enda merkeligere enn kvark-gluon-plasmaet. Vi har sett at bildet av protonet som bestående av tre kvarker og noen gluoner blir for enkelt. Egentlig består det også av en hel sjø av par av kvarker og antikvarker av ulik type, og jo hardere du dunker borti det jo lettere er det å finne en skikkelig tung en. Gluonene er også rare – jo hardere du dunker jo lettere er det å finne et gluon, men disse er i steden små og mange. Jo hardere du smeller en partikkel inn i et proton, jo større er altså sjansen for å treffe et bittelite gluon. Her betyr bittelite at det bare bærer bittelitt energi, og dermed ikke kan gi noe særlig moststand mot partikkelen som dunker.

Så kommer den spennende ideen: Hva, sa teoretikerne, om et proton som flyr fort mot deg, rett og slett får så mange gluoner i seg at de begynner å møte hverandre? Gluoner kan lime seg til hverandre, og det er mulig at de da alle limer seg sammen til et slags enkelt super-gluon som dekker bredden av protonet. Og hvis det er snakk om en atomkjerne, kanskje denne tilstanden kunne dekke hele bredden av kjernen?

Denne noe mystiske stofftilstanden ble kalt et farge-glass-kondensat – et kondensat (sammenlimt tilstand) av partikler som reagerer på den sterke kjernekraften (på fagspråket kalt fargeladning) som renner og endrer seg forholdsvis sakte (som, i følge populærkulturen, glass gjør).

Ingen hadde noen særlig tro på ideen om farge-glass-kondensatet når den kom – men det viste seg at teorien forutsa nøyaktig det BRAHMS hadde sett. Plutselig var tungioneverdenen i opprør og BRAHMS sentrum for oppmerksomheten. Hadde de (vi…) sett nok en type sært kjernestoff?

Et mystisk stoffs stille død og mulige gjenoppstandelse

Oppskrift på kvark-gluon-plasma: Kvarker, gluoner, vanvittig høyt trykk, mer temperatur enn noe annet sted i universet. Litt persille. Sett i gang.

Tid og videre forskning viste at det BRAHMS hadde sett antakelig hadde en enklere forklaring, kalt kjerne-skygging. Det var rett og slett heller en effekt av at atomkjernene tross alt har en viss tykkelse, og at effekten av denne ikke er så lett å fortsi.

Ideen om farge-glass-kondensatet var likevel ikke død, og teoretikere fortsatte å komme med forutsigelser for hvordan den kunne oppdages. RHIC og de to store eksperimenten STAR og PHENIX fortsatte å jobbe og studere det sterke kvark-gluon-plasmaet sitt, og LHC ble dessuten ferdig og klar til å kollidere atomkjerner med enda større kraft.

Nå har nok et mysterium dukket opp i de ulike typene kollisjoner mellom protoner og tunge kjerner, både ved LHC og RHIC. Forskerne studerer nå ikke bare antallet partikler som flyr i hver retning, men formasjonene de flyr i. Mer spesifikt: Hvis en partikkel flyr en bestemt vei, hvor stor er sjansen for at det samtidig flyr en partikkel med en bestemt vinkel i forhold til den? Disse formasjonene viser seg – som kvark-gluon-plasmaet før dem – å ha litt andre egenskaper enn det «alle» forventet.

Se på dette bildet (sammensetning av grafer fra eksperimentet CMS, gjort tilgjengelig via physicsworld.com):

These three plots show the correlation between pairs of particles seen in the CMS detector. (a) shows proton–proton collisions, and the arrow points to the ridge; (b) shows the lead–lead collisions where a similar ridge emerged once more; and (c) denotes the most recent proton–lead collisions where the ridge is seen once more. Δη is the angle in that plane measured between the two particles in the longitudinal plane. ΔΦ represents the difference between the angles of the two particles in question in the transverse plane. R is a function of both Δη and ΔΦ. (Courtesy: CERN/CMS collaboration)

Bildet viser formasjonsflyvning hos partikler. Det er ikke umiddelbart lett å forstå, men prøv likevel:

Anta at det flyr en partikkel en viss vei. Så ser vi litt vekk fra den – enten innover mot kosteskaftet (vinkelen η), eller vekk fra det (vinkelen Φ). Dette er hva de to aksene viser – vekk fra partikkelen i en av to retninger. I alle tre bildene er det en rød topp nært der begge vinklene er null. Denne representerer at hvis det først flyr en partikkel en vei, så er det veldig sannsynlig at det kommer en partikkel til like ved. Dette er helt naturlig og forventet, siden partikler fra slike kollisjoner ofte kommer i såkalte «spruter» eller jets. Merk også at i hvert bilde så er det en bred kant som går fra høyre til venstre, ved vinkel Φ=3,14. Dette tallet betyr en halv gang rundt – eller altså på motsatt side. Kommer det først en partikkel en vei, så er det også sannsynlig at det flyr en del partikler i motsatt retning – igjen ganske naturlig, ut fra en naturlov som heter bevaring av bevegelsesmengde. At det ikke er en topp her men heller en bred kant viser at det skjer spennende ting i alle kollisjonene – det er ikke bare at to partikler har dunket mot hverandre og flydd hver sin vei som to biljardkuler. (Da ville vi hatt en topp på hver side og ikke noe annet).

Hva er så de tre bildene? Det er de tre kollisjonstypene vi har diskutert. (a) er proton-proton, (b) er bly-bly, (c) er proton-bly.

Så kommer det spennende. Rundt toppen er det også en slik kant. For digre kollisjoner er den sterk (bilde b), for små kollisjoner er den svak (bilde a). For mellomstore kollisjoner (bilde c) er den midt imellom. Det er dette siste bildet som er det nye resultatet akkurat nå. Kanten – ridge på engelsk – viser seg i alle tre kollisjonstypene, men er ikke umiddelbart forventet i noen av dem. Vi vet ikke helt hva som forårsaker den – hvorfor flyr partiklene i akkurat denne typen formasjon?

Det er så klart mange teorier. I bly-bly-kollisjonene, der man regner med at det dannes et kvark-gluon-plasma, kan dette brukes som forklaring. I såfall er kanten der et hint om hvordan plasmaet oppfører seg, og dermed igjen innspill til hvordan den sterke kjernekraften virker. I proton-proton og bly-proton derimot, forventer vi ikke at det dannes noe kvark-gluon-plasma – til det er ikke forholdene ekstreme nok. Der har noen teoretikere nå (før CMS kom med de nye resultatene sine) vist at nettopp det nevnte farge-glass-kondensatet kan føre til denne typen oppførsel.

Quo vadis, plasma og kondensat?

Her står saken i dag. Vi kan antakelig forvente tilsvarende målinger fra ihvertfall to andre eksperimenter ved LHC (ATLAS og ALICE), og neste år skal CERN kjøre enda flere kollisjoner som kan brukes til å studere disse kantene videre. Hva får partiklene til å fly i kant-aktige formasjoner? Er det hint om hva den sterke kjernekraften driver med, dypt der nede i kollisjonene? Er det hint om to nye stoff-typer på en gang – både kvark-gluon-plasma og farge-glass-kondensat? Blir fysikere noen gang flinkere til å lage enkle, forståelige navn på nye stoffer? Bare tiden – og mer forskning – vil vise. En ting er imidlertid hevet over enhver tvil: Det kommer stadig spennende fysikk ut fra CERN og LHC, og da ikke bare fra letingen etter Higgs og andre fundamentale partikler. Følg med, følg med.

One comment

  1. Sverre Kolberg (@Carbomontanus) · november 8, 2012

    Samset
    Dette her kalles «gestaltungskräfte» hos Antroposofene, men jeg har funnet begrepet Causa formale i middelalderscolastikken, efter Aristoteles. Formens årsaker eller snarere det for oss tørrstofflig tenkende pedanter og modernister temmelig fremmedkulturelle og utenkelige, at formen eller måten som sådan er en årsaks- kategori. Men for Humaniora og hvor bevissthet er virksomt, så er det veldig vanlig og innlysende. Men værre altså når vi kommer til bevisstløs og død materie.

    La oss ta fuglesvermen eller fiskestimen eller myggsvermen først, den holder ihop og har en form. Men myggen er levandes og arbeider nøyaktig på kammertonen nemlig «..aaaaaaAAAAAAAaaaaaa…» ellers har den ikke nubb. Med Darwin til hjelp om survival of the fittest, så er dette da forklarlig. Så har den klaffer på rompa der den utsender parfyme, og stemmegafler og antenner på nesa som senser parfymen. Slik holder myggen isammen i sverm og beveger seg i formasjon. Gåseflokker som flyr i plogformasjon, der kan vi vel tenke oss at de føler med vingene hvordan det er med helhets- bølgen i lufta. Og myggen, … jeg tenker de føler med vingene hvordan andre vinger har vibrert, Skal dette nemlig klaffe i flukt under paring for urinsekter øyenstikkere, så må vingene flakse synkront coherent og i takt. Og insekter føler lyden med ben og vinger, hastighetsmikrofoner heller enn trykkmikrofoner. Vannlopper ser du lager piruetter på vannflaten og kommuniserer i flokk med kapillarbølger og føler vannflaten med bena.

    Vi mennesker har rudimenter av samme sansen og føler infralyd på et dansegulv, der det er så viktig med drums. Og vi kan føle selv om vi er temmelig døve at vi går i formasjon og i takt. Musikkorpset har stortromme, ikke bare dirigentstav. Vi har velutviklet sans for jordskjelv og merker med en gang med armer og ben om det for eksempel begynner å klatre en panter i det samme treet eller i det statvet eller stillaset som vi sitter på. Forleden var jeg med på pianostemming og det var et knirk og en ulyd i pianoet. Jeg fant med en gang frem ved å «høre» meg frem med fingrene bortover treverket og materien, fordi jeg har trening i å finne klapring og ulyder i biler og maskiner på den måten, og pianostemmeren var likeså høyt trenet i det samme.

    Det er kommunikasjon og kommunisering via vibrasjoner og bølger i feltet. Som går med lyd eller lyshastighet. Bevisste partikler såsom levende dyr benytter dette til å organisere seg i formasjon. Men hva så med det ikke- bevisste hvor det altså ikke er noen slik bevisst «servo» som kan følge et svakt felles signal? Det er altså et teologisk spørsmål, men det er ingen velformet formel i fysikken så de må vi avholde oss fra Panteisme. ( Religionen har oppdatert seg eller falt tilbake på… i nyere tid som kjent, så idag kan vi trygt tillate oss å påstå at dyrene har både sjel og intelligens, det kunne vi ikke bare for få tiår siden.)

    Så er det fløtekarameller lim- krefter, gluoner. Hva er det som gjør mange ting så seige og klissete at det oppstår seigmenn? det er virkelig verd et studium. Jeg driver mye med det. Det må åpenbart et visst klabbeføre til.

    Vi kan ta for oss vann. Og først drøfte snekrystaller. Der er det idag anerkjent teori at det er bindingsradier og bindingsvinkler mellom toverdig oxygen og enverdig hydrogen, pluss noe nytt og fenomenalt Linus Paulings hydrogenbindinger. Det synker ihop og organiserer seg i sekskant om temperaturen er lav nok og trykket høyt nok. Et snekrystall er en materialformasjon. Det er et ismolekyl ismolekylet i bestemt form entall. Vannmolekylet H2O forefinnes kun i dampform som kjent, og i væskeform er det snarere H12O6 bundet og flimrende og klissete og i sekskant. Setter du krystallsukker til dette og varmer og kjøler igjen så får du en ny slags kliss, seigmenn og fløtekarameller. Jeg tror vi kan tillate oss å se på og trene oss på vann og studere både makro og mikro hva som skjer der først, for protonet og hydrogenet er et meget primært og vanlig stoff i universet. Så ser du sukkerkrystallet og sukkermolekylet har også sekskantform. Det er et «hydrat». Carbonet har to former, diamant og grafitt. Tetraeder og hexagon.

    Vi sanne pytagoreere, er vi ikke det Samset? vi ser litt på sånne ting for å trene oss og skjerpe oss.

    Men hva som slett ikke er så kurant og så lurt det er mursteinsteorien, om materiens fundamentale byggestener. Det er historisk og mentalt og faglig primitiv og provinsiell mursteinsfunkis, og stort sett en falsk påstand og føring om materiens former og struktyrer og måter og virkninger og egenskaper.

    Jeg vil jo si at bildene a,b, og c klart tyder på at det er bølgeskvulp heller enn murstein.

    Det mursteins- aktige rutenettet som er lagt på, er et artifakt og en falsk påstand og usaklig føring fra dilettantenes side. For mine begreper som er trenet på annen måte kjemi og musikkakustikk, er hele bildet eller hele greia en ting eller en partikkel. En tone tonen i bestemt form entall pleier ratt å være slik.

    Hva om ostebøndene heller enn industrislavebarna fra mursteins- slummene hadde forfattet material- læra?

    Da ville vi ikke stadig fått høre dette perverse om materiens fundamentale byggestener.

    Tvertimot, vi hadde fått lære om materiens fundamentale grunnvoll og dennes drenering, om materiens fundamentale hjørnestener og bånnsviller, dens staver og sverter og losholter og stavlegjer, om Materiens fundamentale taksperrer, dens fundamkentale dører og vinduer og fag, dens fundamentale hasselkjepper og pilekvist stappert med lyng i alle disse fagene, og om hele materiens fundamentale leirklining med halm og kumøkk. Og om dens fundamentale takvinkel og stråtekke, og dens fundamentale storkerede på taket, og nødvendige lynavleder oppfunnet av Franklin. Og om dens centrale og indre varme med gjennomtrekk.

    Det hadde vært en adskillig sunnere og mer adekvat, fundamental material-tenkning.

    Man skyter på og knerter og knuser alt for å forske og bli klok på universet og på materien. Men hva er det som heler og samler?
    Det er også et studium verd.
    Merk begrepet Causa formale.

Legg igjen en kommentar

Fyll inn i feltene under, eller klikk på et ikon for å logge inn:

WordPress.com-logo

Du kommenterer med bruk av din WordPress.com konto. Logg ut / Endre )

Twitter picture

Du kommenterer med bruk av din Twitter konto. Logg ut / Endre )

Facebookbilde

Du kommenterer med bruk av din Facebook konto. Logg ut / Endre )

Google+ photo

Du kommenterer med bruk av din Google+ konto. Logg ut / Endre )

Kobler til %s