Image
stort teknisk utstyr under montering.

Oppgradering i ALICE. Foto: CERN

CERN-eksperiment tar forskerne med til universet rett etter big bang

– Det er fascinerende at det tidlige universet fløt som en væske, sier Ida T. Storehaug, som forsker på selve ursuppa i CERNs ALICE-prosjekt.

ALICE er et av de fire store eksperimentene ved CERNs største partikkelakselerator LHC, the large hadron collider. I eksperimentet gjenskapes forhold vi ikke har sett siden universets fødsel.

Vi skal tilbake til det første mikrosekundet etter ursmellet big bang. I noen få øyeblikk besto universet av en ekstremt varm og tett suppe av partikler som raste omkring nær lyshastigheten.

Suppa inneholdt mest kvarker og gluoner, som er ingredienser vi kjenner fra atomkjerner, og har derfor fått navnet kvark-gluon-plasma.

– Vi stammer på en måte fra ursuppa. Den fantes før universet klumpet seg sammen til atomer og molekyler. Hvordan klumpingen skjedde den gangen ble avgjørende for hvordan universet er i dag, sier Ida Torkjellsdatter Storehaug, som er stipendiat ved UiO og forsker på kvark-gluon-plasma ved ALICE-eksperimentet på CERN.

Bly-kollisjoner

ALICE er et av de fire store eksperimentene ved CERNs største partikkelakselerator LHC, the large hadron collider.

LHC er for det meste fylt av protoner som kolliderer i høy hastighet, men i noen perioder mates akseleratoren med blykjerner.

Kollisjonene mellom de tunge blykjernene gjenskaper forholdene i universet like etter big bang og i en liten brøkdel av et sekund blir det skapt kvark-gluon-plasma.

Kunnskapen om kvark-gluon-plasma er av ganske ny dato. Først i år 2000 rapporterte CERN at det hadde lyktes å skape plasmaet.

– Først nylig fant vi ut at det er flytende, før trodde vi det skulle være mer som en gass, sier Storehaug.

– Det er fascinerende at det tidlige universet fløt som en væske, sier hun.

Forskerne er henvist til å studere restene

Ursuppa eksisterer for kort tid til at den kan studeres direkte, den omdannes raskt til andre partikler. Forskerne er derfor henvist til å studere sluttproduktene og regne seg tilbake til hva som ble skapt i kollisjonene.

Ida Torkjellsdatter Storehaug er på CERN noen måneder, her i kantina R1. Foto: Hilde Lynnebakken/UiO

– Vi bruker mange ulike metoder og innfallsvinkler, forteller Storehaug.

Selv ser hun på sluttproduktet b-mesoner. Når blykjernene kolliderer skapes tunge kvarker, som bunnkvarker. Kvarken beveger seg gjennom ursuppa før den slår seg sammen med en annen kvark. Kombinasjonen av to kvarker hvor den ene er en bunnkvark kalles et b-meson.

– Vi kan regne ut hvor mange b-mesoner vi tror vil skapes. Vi er interessert i både å studere antallet som faktisk blir dannet og om kvarkene har mistet energi på vei gjennom suppa, sier hun.

B-mesoner skapes ikke så veldig ofte i kollisjonene på LHC. Denne sommeren settes maskinen i drift igjen for tredje gang etter oppgradering.

– I forrige runde registrerte vi 100 b-mesoner. Denne gangen forventer vi flere tusen, sier Storehaug.

Alarmer i kontrollrommet

Hun holder vanligvis til i Oslo, men er noen måneder på CERN-opphold og har blant annet hatt vakter i kontrollrommet til ALICE.

– Jeg hadde bra timing med skiftene mine, jeg var på vakt både da vi fikk de første protonene i akseleratoren og første gang energien i en stråle passerte 6 TeV, sier hun.

Under vanlig drift skjer det ikke så mye i kontrollrommet, men nå mens LHC er under oppstart igjen er det mye som skal finjusteres.

– Alarmene går i ett sett, så det er veldig lærerikt, forteller Storehaug.

Merker en at en er midt i et paradigmeskifte?

ALICE-forskerne er på oppdagelsesferd ut i det ukjente når de studerer ursuppa.

– Forskningen vår er i stor grad eksperimentdrevet. Det er ikke slik at vi har gode teorier som vi skal teste, forteller Storehaug.

Dermed kan resultatene by på store overraskelser.

Studiene av kvark-gluon-plasmaet gir oss også mer kunnskap om den sterke kjernekraften, en av fire kjente, fundamentale krefter.

– Det er mye vi ikke vet om den sterke kjernekraften og vi forstår ikke hvorfor den er så rar, sier Storehaug.

– For tiden er det flere funn som ikke kan forklares med de rådende fundamentale teoriene vi har. Men det er vanskelig å si om den neste brikken kommer fra sterk kjernekraft eller noen av de andre fire kjente, fundamentale kreftene.

– Jeg har tenkt en del på om jeg kommer til å forstå hva jeg er med på dersom vi oppdager noe helt nytt, at vi er midt i et paradigmeskifte? sier hun.

Ingen kvarker i det fri

Den sterke kjernekraften holder protoner og nøytroner sammen i atomkjernen og sørger dermed for at vi har atomer.

Ikke nok med det, det er også den sterke kjernekraften som binder sammen kvarker i protoner og nøytroner.

Hvis du synes kvark er et tulleord har du helt rett. Kvarkene ble navngitt av fysikeren Murrey Gell-Mann, en av flere som forutså at protoner og nøytroner var sammensatt av tre mindre partikler.

Gell-Mann var opptatt av språk og hadde etter sigende lest eller ihvertfall bladd i den eksperimentelle romanen Finnegans wake av James Joyce allerede som 10-åring. Da han trengte et ord for de nye partiklene hentet han quark fra uttrykket “Three quarks for Muster Mark!” fra boka.

Romanen foregår dels i drømmene til en pubinnehaver og flere uttrykk i boka stammer fra bestillinger i baren. Gell-Mann mente derfor “Three quarks for Muster Mark” egentlig betyr “Three quarts for Mister Mark” og argumenterte for at quark skal uttales kwårk.

Kvarker er aldri observert i det fri, noe som skyldes den sterke kjernekraften. Forsøker du å dra to kvarker fra hverandre må du tilføre mer og mer energi jo lenger du fjerner dem fra hverandre.

Til slutt har du tilført så mye energi at det popper opp to kvarker til, skapt av energien brukt til å dra i kvarkene.

Ikke rart forskerne synes denne kraften er rar.