Livet, universum och allting
Varför finns vi? Det är en fråga som många ställt sig. Oftast dyker den dock upp inom religionen eller filosofin. Men det är till och från också en synnerligen berättigad fråga inom fysiken. Man kan säga att det är den frågan som ligger till grund för årets Naturvetarpris för bästa examensarbete, som detta år tillfaller ett examensarbete i fysik. Priset togs emot av pristagaren Aras Papadelis den 12 oktober under en ceremoni på Nobelmuseum. Titeln på hans arbete var A trigger for Bd J/psi (ee)Ks in ATLAS and LHCb.
Vår värld består av materia. Allt vi kan se är materia, ut till de mest avlägsna galaxerna. Det verkar kanske rätt självklart. Men riktigt så enkelt är det inte. Vid universums födelse borde det ha bildats lika mycket antimateria som materia. Antimaterian och materian borde då ha annihilerat varandra och bara lämnat energi kvar, eller så borde vi faktiskt se antimateria runt omkring oss i universum.
Nu består universum förvisso till en mycket stor del av just energi, men bevisligen finns det även materia kvar. Och någon antimateria har astronomerna inte hittat. Hur har detta gått till?
1-1≠0
En lösning skulle kunna vara att när materia och antimateria annihilerar varandra så blir det av någon anledning inte bara en oherrans massa energi, utan kanske en liten skvätt materia också.
Just denna möjlighet påvisades på 60-talet av den ryske fysikern Andrei Sakharov. Men en förutsättning för att detta skulle kunna ske var att processen kunde bryta mot en fysikalisk symmetri, den så kallade CP-symmetrin, eller CP-invariansen.
CP-symmetri kommer från det engelska Charge-Parity Invariance, och betyder ungefär att om man spegelvänder reaktioner med avseende på rummet och med avseende på partiklarnas laddning så fortgår reaktionerna identiskt. Byter man ut en partikel mot dess antipartikel och vänder på alla koordinataxlar för systemet så ska reaktionen se likadan ut för en betraktare.
Det fanns goda skäl att tro att CP-symmetrin stämde. Men 1964 visade två amerikanska fysiker att K-mesonen, eller kaonen som den också kallas, bryter mot CP-symmetrin när den faller sönder.
Världens snabbaste protoner
Detta öppnade en väg till att förstå varför universum består av enbart materia. Men länge var den vägen bara teoretisk, eftersom tekniken ända till för ett par år sedan inte räckte för att göra de nödvändiga experimenten. En av de forskningsanläggningar som nu har möjlighet att undersöka brott mot CP-symmetrin är det europeiska laboratoriet för partikelfysik, CERN, i Schweiz.
För att göra dessa mätningar så kommer forskarna vid CERN att krocka protoner som färdas mycket nära ljusets hastighet i anläggningens Large Hardron Collider. LHC kommer när den tas i bruk 2007 att vara världens utan konkurrens kraftfullaste partikelaccelerator.
När protonerna krockar frigörs enorma mängder energi, som i sin tur producerar skurar av olika partiklar och högenergetisk strålning. Vid en liten del av reaktionerna bildas kollisionsprodukter som är intressanta att studera.
Viktig trigger
Men att leta reda på dessa fåtal reaktioner när protonerna krockar 40 miljoner gånger i sekunden är ingen barnlek. För att kunna välja ut de reaktioner som är intressanta använder man något som kallas triggers. Och det är här Aras Papadelis examensarbete kommer in.
– I grund och botten ar triggern "bara" ett datorprogram som samlar in information från de olika delarna av detektorn, och som tar beslut baserat på informationen den samlat in, berättar Aras Papadelis. Eftersom det handlar om otroligt många reaktioner per sekund så är datorkraften som krävs för att köra detta program enorm. Vi talar inte om en superdator utan en "farm" av tusentals vanliga PC som delar på uppgiften.
Han har studerat en typ av synnerligen intressant partikelsönderfall som är ett resultat av de högenergetiska protokollisionerna i LHC. Syftet är att kunna optimera utformingen av triggern för just denna reaktion. Problemen med att utforma en trigger är i huvudsak två.
– Triggern måste hinna ta beslut om en reaktion är intressant eller inte innan nästa reaktion har skett, vilket främst är en fråga om att ha mycket datorkraft.
Dock får det konsekvensen för fysikern som tillverkar triggern. Han eller hon får inte tillgång till den fullständiga detektorinformationen utan får nöja sig med nedbantade mätningar.
– Nästa problem måste fysikern tackla. Triggern måste designas sa att den med endast den nedbantade informationens hjälp kan avgöra om något intressant inträffat i kollisionen och samtidigt släppa igenom så få "ointressanta" som möjligt. Detta är lättare sagt än gjort.
Naturvetarpriset
Naturvetarpriset är ett pris som Naturvetareförbundet varje år delar ut för exceptionella examensarbeten och doktorsavhandlingar inom det naturvetenskapliga området. Ämnena varierar från år till år, och 2005 delades priset ut inom fysikområdet. Prissumman för Aras Papadelis del är 25 000 kr.
Årets prisceremoni hölls på Nobelmuseum den 12 oktober. Där kommer pristagarna att hålla en kort presentation av sin forskning, och Ulf Danielsson, professor i teoretisk fysik, ska prata på temat astrofysik.
Organisationen som delar ut naturvetarpriset, Naturvetareförbundet, är ett SACO-förbund som organiserar naturvetare av alla slag, från miljövetare till astrofysiker och cytodiagnostiker. Priset instiftades 1997.
Aras Papadelis gjorde sitt examensarbete i Lund. Numera huserar han vid NIKHEF (Het Nationaal Instituut voor Kernfysica en Hoge Energie Fysica) i Amsterdam, det nationella institutet for högenergifysik i Nederländerna. Där utvecklar han en ny del av den LHCb-detektor som hans examensarbete bland annat handlar om. Han är för närvarande baserad i Amsterdam men kommer till och från att vara på CERN som en del av sin forskning.