Når stort ikkje lenger er stort nok: Very Large Hadron Collider

Av Jørgen Eriksson Midtbø, masterstudent i partikkelfysikk ved Universitetet i Oslo.

Ein liten del av LHC-tunnelen. Foto: CERN

Ein liten del av LHC-tunnelen. Foto: CERN

Fysikarar har lyst til å grave ein 100 kilometer lang tunnel rundt heile Genéve, som skal fyllast med høgteknologi. Magnetar kjølt til superleiande temperaturar som skal sende proton rundt i perfekte sirkelbaner. Kva er det dei ønskjer å finne ut av? Og får dei dine skattepengar til å gjennomføre det?

CERN – partikkelfysikkens høgborg

For eit års tid sidan vitja eg CERN, det europeiske høgsetet for partikkelfysikkforskning som ligg ved Genéve, på grensa mellom Sveits og Frankrike. Der såg eg på verdas største maskin, Large Hadron Collider (LHC). Han er forma som ein 27 kilometer lang ring som ligg 100 meter under jorda, og nyttast til å sende proton rundt og rundt for til slutt å smelle dei saman. Ringen er så stor at han må krysse landegrensene, og det tek 20 minutt å køyre diameteren. Denne maskina skal arbeide i mange år til, men fysikarane har allereie byrja å tenke på neste generasjon maskin. Og generasjonen etter det igjen.

Datagenerert illustrasjon av ein proton-proton-kollisjon på LHC. Reaksjonen inneheld produksjon av ein Higgs-partikkel. Teke frå CMS-eksperimentet på CERN.

Datagenerert illustrasjon av ein proton-proton-kollisjon på LHC. Reaksjonen inneheld produksjon av ein Higgs-partikkel.

Den største hendinga i partikkelfysikk dei siste åra er oppdaginga av ein ny partikkel, Higgsbosonet, gjort av nettopp LHC. Ein har to val når ein skal bygge slike maskiner. Anten kan ein la proton kollidere, eller ein kan nytte elektron. Det er fordeler og ulemper med begge. LHC er bygd for å oppdage nye partiklar, og då er det best å nytte proton. Men no som Higgs er funnen, vil fysikarane gjerne studere han nærare, og for å gjere presisjonsmålingar er det betre å kollidere elektron med kvarandre. Difor vert neste generasjon partikkelmaskin truleg ein såkalla lineær elektron-positron-kolliderar. Bjørn har skrive om desse planane her.

Meir enn Higgs

Det treng mykje høgteknologi for å finne nye partiklar. Foto: CERN.

Det trengs mykje høgteknologi for å finne nye partiklar. Foto: CERN

Men leitinga etter Higgs er ikkje den einaste grunnen til at LHC vart bygd. Me veit nemlig at det må finnast noko meir der ute, noko som ikkje er ein del av Standardmodellen for partikkelfysikk, modellen som fortel mest om kva partiklar og krefter som finst i naturen. Standardmodellen kan nemlig ikkje brukast til å forklare ting som mørk materie, nøytrinomassar og det at det er så mykje meir materie enn antimaterie i verda. Det finst fleire gode teoriar for kva forklaringa kan vere. Den einaste måten å sjekke om teorien stemmer på, er å freiste å lage partiklane som teorien forutseier. For å lage ein partikkel i ein kollisjon så nyttar ein likninga E=mc2, som seier kor mykje energi E du treng for å lage ein partikkel med masse m. Ein av dei heitaste kandidatane for ein teori utover Standardmodellen heiter supersymmetri, og han forutseier partiklar som veg omkring åtte gonger så mykje som Higgsbosonet. LHC er laga for å finne desse partiklane – viss dei er der.

Problemet er berre at så langt har ikkje LHC sett snurten av dei. Maskina er for tida under oppgradering for å komme til det dobbelte av den energien dei hittil har køyrt med. Håpa er høge når dei starter opp att i 2015. Og i mellomtida spekulerer altså fysikarane på kva type maskin dei skal byggje neste gong, og gongen etter der. Det neste vert truleg ei rett maskin, der strålar av elektron og positron kolliderer rett på kvarandre. Ein slik maskin har den utfordringa at partiklane må få all energien sin “på ein gong”, i løpet av ein ganske kort avstand. Det krev sterke elektriske felt. I LHC er ikkje det naudsynt. Sidan han er ein ring så held det å dytte partiklane litt kvar runde, og la dei gå mange rundar for å få dei opp i energi. Det er imidlertid eit anna problem med å nytte ein ring, nemleg at ladde partiklar strålar når dei vert akselerert. Og partiklar som går i ring vert akselerert heile tida, meir desto fortare dei går. Det er difor LHC ikkje vil kunne nå ein særleg høgare energi enn den dei oppgraderer til no – etter kvart vert energien partiklane strålar ut like stor som energien me puttar inn.

Bigger, better, faster, stronger?

Dimensjonane på LHC og VLHC sett opp mot kvarandre.

Dimensjonane på LHC og VLHC sett opp mot kvarandre.

Løysinga er å bygge ein større ring. LHC-ringen har ein omkrins på 27 kilometer. Fysikarane som lagar planar for framtida ser føre seg ein ring på 80-100 kilometer. Maskinen den skal huse har fått namnet Very Large Hadron Collider. (Fysikarar er ikkje spesielt oppfinnsomme når det kjem til namn.) Dei ønskjer framleis å byggje i tilknytning til CERN, og det gjev nokre utfordringar. Den planlagte tunnelen skal gå under Genévesjøen, rundt sjølve Genéve og under Salève-fjellet sør for byen. Dei vil kanskje måtte bore seg ned gjennom fjellet for å lage tilgongssjakter, for å nemne éi utfordring. Alt i alt er det eit godt stykke ingeniørkunst som skal til. Og når sjølve tunnelen er bygd, så skal den fyllast med høgteknologi: Magnetar som må kjølast til superledande temperaturar, kjølesystem, og så bortetter. Mykje av teknologien dei ser føre seg er ikkje oppfunnen enno, mellom anna finst det ikkje så sterke magnetar som dei treng for å nå energimålet dei har sette seg. Men det er til gjengjeld litt av eit mål. LHC skal doble energien sin i 2015, og sett med det ein soleklar verdsrekord. VLHC skal etter planen få ein maksenergi på nesten sju gongar det igjen, heilt vanvittig mykje etter dagens standard. Så ligg det også mange år inn i framtida. Med slike energiar skal til dømes supersymmetri gøyme seg godt for at me ikkje finn det, om det finst.

Eit av framlegga til korleis å få bygd VLHC, er å gjere det i to steg slik dei gjorde med LHC. Tunnelen LHC ligg i vart tidlegare nytta av eit anna eksperiment, LEP, som kolliderte elektron med positron. Grunna strålinga som oppstår i ein ringmaskin kan ikkje elektronstrålar nå like høg energi som proton, fordi energitapet er større for lette partiklar (og elektron veg mykje mindre enn proton). Men dei vil likevel kunne komme høgt nok til å studere mykje interessant fysikk, og dei vil kunne samle data mykje raskare enn dei lineære kolliderarane.

Ting tek tid

Alt dette er enn så lenge berre lause planar. For at det skal verte bygd er ein avhengig av å få midlar frå landa som er medlem av CERN, på samme måte som dei finansierte LHC. Og det er klart at VLHC ikkje vil verte billig. Men den vert kanskje ikkje så dyr som ein skulle tru heller. Den totale kostnaden til LHC er om lag ein hundredel av USAs årlege miltærbudsjett, eller seks gongar årsbudsjettet til Haukeland universitetssykehus. Fordelt på alle medlemslanda er ikkje det så mykje. Ei meir relevant innvending er kor mykje ein skal prioritere denne typen forskning samanlikna med andre område. Berre innan fysikk er det mange spennande og viktige problem, som til dømes miljøforskning, superledning, kvantedatamaskiner og gravitasjonsbølgjer. For ikkje å nemne andre naturvitskaplege fagfelt som biologi eller medisin. Mange meiner nok at kreftgåten er eit viktigare problem enn elementærpartiklar. Det beste ville kanskje vere å seie som Ole Brumm: «Ja takk, begge deler».

Det einaste som er sikkert er at framtida til VLHC avheng av kva forskarane finn når LHC startar opp att i 2015. Og uansett framtidig budsjettsituasjon, vil LHC køyre i monge år til, med mange spente fysikarar og fysikkinteresserte over heile verda som tilskodarar. Viss me er så heldige å få ein ny maskin, så skal eg i kvart fall sørge for å få meg ein ny tur til CERN for å sjå på han!

16 comments

  1. Magne D. Antonsen (VG) · februar 19, 2014

    Bra blogg! Det er Magne fra VG her. I dag har jeg valgt innlegget ditt som dagens anbefaling på Lesernes VG, du finner det nederst på forsiden til http://vg.no

    Er det andre som skriver en god blogg og vil ha mange nye lesere, ikke nøl med å sende en epost til meg på magnea |a| vg.no eller @magneda på Twitter.

    • Gjesteblogger · februar 19, 2014

      Så kult! Hjarteleg takk!

      Jørgen

  2. Klaus Schackt · februar 20, 2014

    Under avsnittet -Ting tek tid- prøver du å antyde omkostninger til prosjektet ved sammenligning med andre, mer eller mindre kjente, begrep. I dette tilfelle gir det liten mening. Forsvarsbudgettet i USA er ca. 600 milliarder dollar, en hundredel må derfor gi 6 milliarder dollar. Hvordan du kan blande Haukeland Sykehus inn gir ingen mening. Hvis det sistnevnte beløp over er 6 ganger budgettet for nevnte sykehus så har Haukeland et budget på 1 milliard dollar?

  3. Direktør Oddvar Fharaos Eriksen · februar 20, 2014

    Til Jørgen Eriksson Midtbø, masterstudent i partikkelfysikk ved Universitetet i Oslo

    Tja, Jeg fortalte Dere at Dere ikke ville Se / Finne Higgs i denne LHC i Cern allerede før Jens Stoltenberg kasta bort 82 milliarder på dette Prosjektet med Norske Statskroner er en stor skam.
    Fordi Nå VLHC drives av Fysikkere og ikke Kjemikkere og dette er også ett virrvarr av forkledningsmaterie og igjen så vil dette si; sitat, betyr, Sagt før: sitat; Magnetiske substanser under bakken rundt dette Monster av Ukyndighet når det gjelder magnetisk fordeling i Atmosphere som Jordens magnetiske Struktur og modrasjonsfordeling i joviale matematiske overflatefordeling i
    Atmospheriske fordelingsstruktur som til nå har siden dette Unyttige Monster har forflyttet og fordreid kvanteFysikken utenfor og invendig og med dette igjen hurtig- gjort polmagnetisk forflytting og Atmospherisk Værforstyrrelser og forstyrret den Moder Jord magnetiske jorddreinings adapter, eller rett og slett skapt forstyrrelser og er skyld i forøkning av Jordskjelv i
    Asia området og overflatevær som Orkaner i samme områder + mye mer, som da dere Fysikkere,
    enesporet har forskjøvet uten og ta itu realisjonene til Kvalifikasjon eller relativitet til Jordens selvordningsSystem, det igjen vil si, kontra Fysikk få inn Kjemi og måleInstrumenter over under og sentralt i Cern Monsteret før det dreper Verden som vi nå ser og kjenner, eller før Dere skaper Ragnarokk uten tilsnitt til og forestå problematikken..
    Og ikke nok med dette, så har Jeg Personlig sett og følt hastighet på 30 Lysår i Sekundet og det er ikke på Jordbasic system men Utenomjordisk, nedtegnet og loggført , Så Ja, Dere har mye og lære folkens…Men ikke lek dere til Jordkatastrofer, gjør noe dere kan og forstår, dette er ikke det. Dessverre..!

    • Knut Holt (@Aquilagrande) · februar 21, 2014

      Jeg har på følelsen at dette ble skrevet for å kompromittere alternativttenkende mennesker og ikke som et seriost innlegg.

  4. Direktør Oddvar Fharaos Eriksen · februar 20, 2014

    Så HIGGs var allerede sett og følt 1975 og 1978 uten nevnform extra av den grunn..
    Men litt rart er det, Jeg og NASA eller Jeg holdt det hemmelig i 20 år før NASA gjorde alt de kunne for og få greie på saken uinnvidde kjerne .

  5. Trine Johanne Skofterud · februar 20, 2014

    Bygg i Norge, bruk oljefondet, eller spons bygging på kontinentet, bygg ihvertfall, hva annet er bedre å bruke oljefondet på?

  6. julienbrightside · februar 20, 2014

    Syns fysikk hvor du kaster atomer mot hverandre i nesten lysets hastighet er ganske så spennende.

  7. Sony · februar 21, 2014

    Jeg synes det er litt snodig at når det er snakk om forskning, så snakkes det mye om kroner og øre og sammenligner det med ting som har direkte nytteverdi. Men hvor mye bruker Hollywood på å skape ren underholdning, eller hvor store beløp investeres i TV-stasjoner og fornøyelsesparker?

    Riktignok brukes det enorme summer på mat og klær o.l., men dette er uansett nødvendigheter. Turisme, underholdning og sminke skaper kanskje arbeidsplasser (i likhet med vitenskapelige institusjoner), men er strengt tatt ikke nødvendig for vår overlevelse. Det er interessant å se hvordan menn og kvinner som forbruker sminke, går på kino, reiser på ferie, kjøper dataspill til barna osv sitter og kritiserer romforskning og partikkelfysikk fordi de mener pengene bør gå til noe «mer nyttig», og glemmer både kunnskapen det gir og alle de nyttige biproduktene som har blitt skapt i kjølvannet av forskningen. Samt at alt er relativt. I seg selv snakker vi om ikke ubetydelige summer, men sammenlignet med mye annet er det ikke all verden.

    «The spa services industry in the US includes about 18,000 facilities with combined annual revenue of more than $13 billion.»
    http://www.thebeautycompany.co/downloads/Beyer_BeautyNumbers.pdf

    Fra en nesten seks år gammel artikkel:
    «The report, Beauty at any Cost, noted U.S. women spent some $7 billion a year, or an average of about $100 each, on cosmetics and beauty products.»
    http://www.reuters.com/article/2008/08/18/us-beauty-life-idUSN1552471920080818

    Annually, Americans spend about $88.8 billion on tobacco products and another $97 billion on alcohol. $313 billion is spent each year in America for treatment of tobacco and alcohol related medical problems.

    Likewise, people in the US spend about $64 billion on illegal drugs, and $114.2 billion for health-related care of drug use.
    http://www.universetoday.com/31470/8-ridiculous-things-bigger-than-nasas-budget/

    Read more: http://www.universetoday.com/31470/8-ridiculous-things-bigger-than-nasas-budget/#ixzz2twEABXr8

    By the Numbers: How Americans Spend Their Money
    http://mentalfloss.com/article/31222/numbers-how-americans-spend-their-money

    St. Patrick’s Day: $4.14 billion

    Pet Halloween Costumes: $310 million (The pet industry hauls in a total $50.96 billion!)

    Easter: $16.8 billion

    Romance Novels: $10 billion

    Engagement and Wedding Rings: $11 billion

    Valentine’s Day Flowers: $1.7 billion

    Over-the-Counter Teeth Whiteners: $1.4 billion

    Perfume: $4.2 billion

    Gambling: $34.6 billion

    Tattoos: $2.3 billion

    Video Games: $17 billion dollars

    Soft Drinks: $65 billion

    Bottled Water: $11 billion

    Professional Sports: $25.4 billion

    Dollar Store Purchases: $30 billion

    Alternative Medicine: $33.9 Billion

    Ringtones: $5 billion worldwide

    Og tenk om alle kostnadene som har blitt brukt på krigen i Irak hadde blitt brukt til romforskning og nanoteknologi m.m. i stedet? Eller på pedagogisk forskning for å gi elevene en best mulig utdanning og utnytte sitt potensiale i best mulig grad.

    Folk har en tendens til å godta det de selv har interesse og direkte utbytte av enten umiddelbart eller i nær fremtid, og være motstandere av det de føler stjeler ressurser fra førstnevnte. Men som man reder, ligger man. Ikke minst gjelder det menneskehetens fremtid, grunnforskning og videre investeringer i forsøk og eksperimenter. Ingen sier at det må være enten eller. Det er fullt mulig å både bruke ressurser på atspredelse, nødhjelp og forskning. I det minste så lenge vi fortsatt har ressurser tilgjengelig. Når de begynner å gå tomme må vi se oss om etter andre løsninger, og da er det først og fremst forskning som kan tilby alternativer.

    I det minste kan materialene som brukes i Very Large Hadron Collider gjenvinnes om forsøkene ikke gir tilstrekkelig tilbake, og vil skape både sysselsetting og et forskningsmiljø som godt kan gi andre former for resultater. Blant annet var det vel en forsker ved CERN som gav oss World Wide Web.

    • Sony · februar 21, 2014

      P.S. Heller ikke er det Norge alene som skal dekke alle kostnadene ved prosjektet. Utgiftene vil bli fordelt mellom alle de involverte land, og blir dermed betydelig lavere enn det totale beløpet, hvilket ikke helt rettferdiggjør sammenligningen det vises til. Hvor mange skattekroner det blir på hver er usikkert, men det er neppe snakk om de helt store beløp. I definitivt mindre enn en del av de mislykkede prosjektene staten har gamblet med for skattebetalernes regning de siste årene.

  8. Tor Eirik · februar 21, 2014

    Jeg savner at forskere bruker mer kreativitet til å forklare hvermannsen hva resultater ved LHC/VLHC faktisk kan brukes til. Implikasjonene er jo nesten uendelige. En kan forestille seg at slike gjennombrudd vil gi enorme fremskritt innen f eks medisin. Og ved energikonservering- transport og produksjon. Fysikk gjennomgriper alt vi mennesker foretar oss, og det burde være lett å få konsensus for et initiativ til gjennombrudd her. Det underliggende motiv nå – for legfolk – virker å være fysikernes egen nysgjerrighet, og den alene. Det blir litt sånn som da jeg som sjuåring skrudde fra hverandre vekkerklokka mi for å se hvordan den virket. Totalt unyttig, men til gjengjeld oppnådde jeg en stor innsikt i hvor sint min mor ble da hun oppdaget dette. Jeg fikk jo selvsagt ikke den opptrekksfjæra inn i klokka igjen…

  9. Knut Holt (@Aquilagrande) · februar 21, 2014

    Da en trodde at Jorda var solsystemnets sentrum og at alt kretsa omkring Jorda, hadde en modeller bygd på dette prinsippet som fokarte veldig godt det en kunne observere, og hver gang en så noe oppførte seg annerledes, bare økte en modellens kompleksitet. Men Kopernikus fant plutselig på en enklere modell basert på at sola var i sentrum for solsystemet, og hele det flotte teoretiske byggverket ble skrapa, bortsett fra på enkeltre spesialområder der en fortsatte å bruke det fordi det var praktisk, men med vitende om at det egentlig var feilaktig. Stabndardmodellen er et forferdelig sammensurium som snart må skrapes til fordel for noe enklere.

    • Sverre Holm · februar 21, 2014

      Bildet ditt med geo- og heliosentrisk system halter litt fordi det var egentlig tre stadier i utviklingen. Først som du sier det geosentriske fra antikken, så Kopernikus’ heliosentriske system, men med sirkulære planetbaner. Det var dårligere til å beregne planetposisjoner enn det gamle. Dette er en viktig grunn til at det ikke ble så lett akseptert – fysisk korrekt, men veldig unøyaktig. Det trengte Keplers elliptiske baner før det ble helt korrekt, og regnemessig bedre enn antikkens system. Som en kuriositet kan det jo nevnes at Galileo heller ikke aksepterte Keplers ellipser noen gang.

      Hvor er standardmodellen nå i dette bildet? Tja, kanskje som den midterste modellen?.

      • Sony · februar 23, 2014

        Interessant. Lette litt på nettet i den forbindelse, og det ser ut til at Kepler i sin tid befant seg i samme situasjon som Max Planck:

        «If Kepler had kept to the Platonic Axioms he could have, using Tycho’s data, provided circular models to save the phenomena. His obsession with accuracy led him to abandon the Platonic Axioms when he realised he could get a better fit with ellipses, a move that cost him an immense amount of soul searching. If he had had a more advanced set of mathematical tools (Fourier Analysis!) he could have obtained exactly the same level of accuracy with an epicycle deferent model.»

        De elliptiske banene var da noe han kun innførte for å få regnestykket til å gå opp, på samme måte som Planck innførte kvanter for å få sine egne regnestykker til å gå opp.

        Hvor lang tid tar det forresten å få godkjent et innlegg? Etter to døgn står det fremdeles «Din kommentar avventer moderasjon» over et innlegg jeg skrev. Vet ikke om det har noe å gjøre med linkene jeg la ved, og av den grunn legger jeg heller ikke ved noen link i denne kommentaren.

        • Bjørn H. Samset · februar 28, 2014

          Innlegget kom ikke ut fordi jeg klikket feil… Så det først nå – beklager det. Og ja, det ble stemplet som mulig spam pga alle lenkene. Sånt er det WordPress som avgjør.

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