Hallo, noen våkne på CERN?

Arbeid med en LHC-magnet i kollisjonsstansen 2013-2015 (Long Shutdown 1). [Credit CERN]

Arbeid med en LHC-magnet i kollisjonsstansen 2013-2015 (Long Shutdown 1). [Credit CERN]

Higgsbosonet er oppdaget, Nobelprisen er utdelt og det er stadfestet at den nye partikkelen ser ut som den passer flott inn i Standardmodellen for partikkelfysikk. LHC (Large Hadron Collider) kjører ikke lenger, det er toårs pause i partikkelkollisjonene den ellers serverer. Så hva nå? Skjer det noe i denne toårs kollisjonstørken? Er det kollektiv dvale? Venter man ikke bare på nye data? Og hvorfor skal man i det hele tatt starte opp LHC igjen, nå som Higgspartikkelen er funnet?

Innleggskribent Lillian Smestad. [Credit Hilde Lynnebakken]

Innleggskribent Lillian Smestad. [Credit Hilde Lynnebakken]

Innlegget er skrevet av Lillian Smestad, postdoktor i partikkelfysikk ved Universitetet i Bergen, basert på CERN, tilknyttet ATLAS-eksperimentet, lillian.smestad[at]fys.uio.no.

La meg begynne med slutten. Da Higgsbosonet ble erklært oppdaget 4. juli 2012, ble det til dels solgt som «den siste manglende puslespillbrikken». Og Higgsbosonet var nettopp det – den siste manglende puslespillbrikken av Standardmodellen for partikkelfysikk (blant venner kun Standardmodellen). Dersom den oppdagede partikkelen virkelig ER Standardmodellens Higgsboson, da. Om den er det eller ei finner vi bare ut ved å gjøre veldig nøyaktige målinger på den, noe som krever mer data og høyere presisjon. Men så har vi det faktum at vi vet at Standardmodellen ikke strekker til for å beskrive naturen på det mest fundamentale nivået. Og det er jo tross alt det vi har lyst til, vi som liker partikkelfysikk. Standardmodellen, enn så nydelig og presis den er, har flere svakheter. Den er utilstrekkelig til den grad at jeg til og med har overhørt utbruddet «Standardmodellen er en fornærmelse mot meg som teoretiker!». Den inneholder ikke gravitasjonkraften. Den forklarer ikke hvorfor Higgsbosonet har den massen det har. Og hva er vel den mørke materien som vi ved hjelp av en rekke kosmologiske observasjoer vet finnes – er den en elementærpartikkel? La meg ikke gå inn på alle spørsmålene Standardmodellen etterlater seg (det fortjener en egen bloggpost) – la meg bare forsikre deg om at det er flust av gode grunner til å starte opp LHC igjen. Når det gjelder de øvrige spørsmålene i innledningen: jeg skal prøve å skissere hvorfor det å anta en dvaletilstand er skivebom. Her er noe av det som gjøres her på CERN istedenfor å tvinne tomler.

Montering av et ekstra lag (en pixeldetektor kalt "Insertable B-layer") helt nærmest kollisjonspunktet i ATLAS-detektoren. [Credit CERN]

Montering av et ekstra lag (en pixeldetektor kalt «Insertable B-layer») helt nærmest kollisjonspunktet i ATLAS-detektoren. [Credit CERN]

Den toårs pausen vi er inne i er ikke en pause for å ta en pust i bakken. På CERN tror man ikke på puster i bakken. Her hviles ikke på laurbær. Det pausen er til for, er for å oppgradere utstyret. Noen husker kanskje ulykken september 2008, hvor en elektrisk kobling førte til en rask varmeutvikling, en eksplosjon med tap av seks tonn heliumgass og flere hundre meter med skadede magneter – en ulykke som førte til at oppstarten av LHC ble forsinket med ett år. Det viste seg av den nøye undersøkelsen som fulgte i ettertid at maskinen ikke ville ha tålt den energien den opprinnelig var tiltenkt. Ergo har vi i disse årene kjørt på lavgir. Men vi vil ha høygir! Bånn gass! For å få til det, må maskinen gå igjennom en real overhaling. Det krever tid. Bare det å varme opp en LHC-magnet til romtemperatur, for så å kjøle den ned (til kaldere enn det ytre verdensrom) igjen, tar to måneder. Det er ikke bare LHC som blir oppgradert: eksperimentene benytter også tiden til å fikse deler av detektorene som ikke fungerte så bra. ATLAS-detektoren har til og med fått en helt ny del, ett nytt lag helt innerst, nærmest strålene av protoner som skal kollideres.

Og la det være klinkende klart: ja, vi venter på nye data. Vi kan nesten ikke vente til våren neste år, det blir dritspennende! Men, vi kan ikke bare vente. Hvis vi gjør det, er vi helt uforberedte, den dagen de nye dataene kommer flommende inn i kontorene våre og skyller bort alt det som stod på todo-listene. En av grunnene til at vi ikke bare kan sitte og vente, er at de nye dataene kommer til å se veldig annerledes ut enn de vi allerede har samlet inn.

«Annerledes»? Ja. Målet med oppgraderingene av akseleratoren er å få mer omph i kollisjonene. Med «omph» mener jeg å utrykke noe à la kraft og intensitet. Mer omph, større sannsynlighet for å oppdage nye, spennende fenomener. Siden det er veldig liten sannsynlighet for at det skjer noe interessant, er det viktig å få så mye omph som mulig. Så da blir spørsmålet: hvordan få mer omph?

Lodding av en LHC-magnet i kollisjonsstansen 2013-2015 (Long Shutdown 1). [Credit CERN]

Lodding av en LHC-magnet i kollisjonsstansen 2013-2015 (Long Shutdown 1). [Credit CERN]

LHC er en protonkollisjonsmaskin. Men ikke bli lurt til å tro at den kolliderer ett proton mot ett proton. Det hadde vært latterlig vanskelig å få til. Isteden kolliderer den en samling utall protoner mot en samling utall protoner (hvor et utall er noe sånt som hundre milliarder). Dette skjer i en såkalt bunch-crossing, som vi på norsk kan betegne som noe så stilig som klump-kryssing. Mer omph: flere protoner inn i hver klump. Dette øker sannsynligheten for at to protoner smeller sammen og skaper flott fyrverkeri. Flere protoner i hver klump medfører dessverre også en økning i noe vi kaller ‘pile-up’. Dette er kollisjoner i en klump-kryssing som finnes i tillegg til den kollisjonen vi er interessert i. I en typisk protonklumpkryssing i 2012 fikk vi rundt 20 protonkollisjoner. I en typisk protonklumpkryssning etter oppgraderingen kan dette tallet være fire ganger så stort. Vi er interessert i kun én av de kollisjonene. Så din oppgave er nå å analysere alle signalene satt av i detektoren fra partiklene som sprutet ut fra klump-kryssingen, finne ut hvilke signaler som kom fra hvilken partikkel, og hvilken av de samtidige kollisjonene den partikkelen kom fra. Detektoren er stappfull av signal. Lykke til.

For å gjøre det enda vanskeligere: kollisjonene kommer til å skje mye oftere. Før smalt to protonklumper sammen «kun» 20 millioner ganger i sekundet – etter oppgraderingen skal dette skje 40 millioner ganger i sekundet! Verktøyet vi har for å behandle og lagre data fra disse kollisjonene, Worldwide LHC Computing Grid, blir forbedret med fornyet intensitet i denne data-løse perioden. Til tross for det har vi begrensede ressurser. Vi har ikke sjans i havet til å ta vare på alle kollisjonene. Faktisk blir rundt 99.999% av kollisjonene forkastet. Med hyppigere kollisjoner og mer baluba i detektoren må algoritmene som velger ut hvilke kollisjoner som er interessante bli både flinkere og raskere til å bestemme seg. Det skjer heller ikke av seg selv.

Worldwide LHC Computing Grid blir flittig brukt også i perioden uten ny data. [Credit CERN]

Worldwide LHC Computing Grid blir flittig brukt også i perioden uten ny data. [Credit CERN]

Gridet er nå også flittig opptatt med å simulere hvordan de nye dataene kommer til å se ut. En uinvitert og særdeles kjip slektning av mer omph er mer bakgrunnsstøy. Dermed må alle fysikkanalysene forberede seg på disse endringene. Det må jobbes hardt for å klare å fiske ut et signal blant denne nye støyen. Som om det ikke var nok å henge fingrene i, er det også mange som ikke er ferdige med å analysere de eksisterende dataene. Talspersonen for ATLAS-eksperimentet har informert om at for å bli ferdig før ny data kommer, må vi gi ut minst 12 artikler i måneden. Vi har ennå rundt 180 artikler et sted i prosessen mot å bli publisert. I tillegg til det, benytter ATLAS også pusterommet fraværet av ny data gir til å omstrukturere dataflyten. Dette innebærer en endring i filformater kollisjonene blir lagret på. Dermed må vi også lære å gjøre analyse innenfor det nye rammeverket, og skrive om koden vår.

På teorisiden jobbes det med å oppgradere fysikkmodellene, for å kunne forutsi de observerbare variablene med høyere presisjon. Hva slags ny fysikk kan lure bak grensene til Standardmodellens territorium, og hvordan vil den sette av sine spor i de nye dataene LHC kommer til å servere? Hvis man ikke har en god formening om hva man skal finne i eksperimentene, gir det mindre mening å prøve lete. Og blant de som er enda mer fremtidsrettet, utvikles også prosjekter for fremtidige oppgraderinger av detektorene og akseleratoren, og til og med helt nye akseleratorer, år og tiår frem i tid.

Jeg lurer noen ganger på om jeg skal bli inspirert eller deprimert av hvor fulle parkeringsplassene her på CERN er klokka ti en fredagskveld. For de som måtte lure; nei, CERN sover ikke – CERN sover aldri.

4 comments

  1. oka · august 15, 2014

    Keep publishing.

  2. Bo Eide · august 15, 2014

    Det er flott at noen skriver om vanskelig vitenskap på denne måten. Mer!

  3. Lillian Smestad · august 16, 2014

    Kjære oka og Bo Eide: tusen takk for positiv tilbakemelding! Det varmer!

  4. Tilbaketråkk: Skrive for bloggen NTNU Tech Zone | Teknologi for en bedre verden

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