Big Bang i Bålsta

den mörka materien
Genom att mäta på hur ljuset böjer av när det passerar stora massor har astronomer kunnat mäta effekterna av den mörka materien
29 juni 2006

I Bålsta några mil nordväst om Stockholm samlas unga forskare från hela världen för att diskutera det allra minsta, och därför också det allra största.

I Bålsta pågår en konferens för unga partikelfysiker. Där har hundra av de mest framstående unga partikelfysikerna från hela världen samlats under Uppsala universitets värdskap. Arrangörer för konferensen är, förutom Uppsala universitet, det gemensamma europeiska laboratoriet för partikelfysik, CERN, och det ryska JINR (Joint Institute for Nuclear Research).

Under två veckor (18 juni–1 juli) får deltagarna lära sig det mesta om den senaste forskningen inom högenergifysik, genom föreläsningar och gruppdiskussioner.

Största partikelkrossen

Den stora stjärnan vid konferensen huserar i en 27 kilometer lång tunnel hundra meter under marken i Schweiz. Det är LHC, Large Hadron Collider, den nya partikelacceleratorn vid CERN, som ska dra igång nästa år.

Med den kommer forskarna att kunna nå helt nya energinivåer på partiklarna. LHC kommer att kunna krocka blykärnor med en energi på över 1 000 TeV. För att få någon sorts begrepp om detta kan man jämföra med den energi som frigörs vid klyvningen av en atom U-235 i ett kärnkraftverk. Där frigörs ungefär 200 MeV, dvs en femtedels miljondel av kollisionsenergin hos blykärnorna i LHC.
Med detta blir LHC den kraftfullaste partikelacceleratorn i världen.

All massa utgår från Higgs – nästan

Under veckan kommer de unga forskarna att diskutera de radikalt nya möjligheter som LHC kommer att innebära för forskningen. Och de obesvarade frågorna som man hoppas att LHC ska kunna lösa är många.

Varför har de elementära partiklarna massa? Det kan tyckas som en självklar egenskap, men det finns ingen tillfredsställande fysikalisk förklaring till detta. En möjlig mekanism är det så kallade Higgs-fältet, som skulle kunna ge partiklarna sin massa. Om Higgs-fältet finns och fungerar som fysikerna tror så borde LHC kunna hitta dess nyckelpartikel, Higgs-bosonen.

Om man hittar denna Higgs-boson, är det klappat och klart varifrån partiklar får sin massa då?

– Det kan man nog säga, säger Tord Ekelöf, professor i elementarpartikelfysik vid Uppsala universitet och en av arrangörerna för konferensen.

Men han påpekar att inte alla partiklar får sin massa från detta tänkta Higgs-fält.

– De partiklar som får sin massa av Higgs-mekanismen är de fundamentala partiklarna – kvarkar och leptoner, dit bland annat elektronen hör, samt bärarna av olika krafter, som fotonen. Men exempelvis protonens massa kommer till stor del från växelverkan mellan de kvarkar som bygger upp den. Det är bara en liten del av protonens massa som kommer från Higgs-mekanismen.

Finns Higgs-bosonen kommer det att visa sig tämligen snabbt när väl LHC drar igång.

– Finns den kan man förutse att det kommer att finnas publicerade resultat inom ett år efter att LHC är igång, säger Tord Ekelöf.

Sökandet efter det mörka

Den moderna fysiken har gått varvet runt. För att förstå det allra största – universum – måste man känna till det allra minsta – elementarpartiklarna. Därför hoppas forskarna att LHC även ska kunna bringa ljus över en av universums dunkla hemligheter: den mörka materian.

Astronomerna vet att det fattas materia i universum. De ser effekterna av mycket mer materia än den som kan observeras i världsrymden som stjärnor och galaxer. Teoretiska beräkningar gör det extremt osannolikt att den här mörka materien är vanlig materia som består av atomer. Den består istället av någon form av exotiska partiklar, som varit med oss ända sedan Big Bang. Vilka dessa partiklar är kanske LHC kan svara på

– Det finns flera omständigheter, inom partikelfysiken och inom kosmologin, som gör att vi förväntar oss att partiklarna i den mörka materien ska ha en massa som ligger omkring några hundra protonmassor. En så tung partikel kan bara produceras med en mycket kraftfull accelerator. Vi har inte kunnat nå dit förr, men nu med LHC kan vi nå dit.

De partiklar forskarna i första hand letar efter är så kallade neutralinos. De skulle ha just de egenskaper man söker efter: tunga så att de kan svara för den oupptäckta massan i universum, elektriskt neutrala så de inte växelverkar med fotoner, elektroner och andra elektromagnetiskt laddade partiklar. Dessutom ska de inte växelverka med protoner och neutroner.

– Den så kallade supersymmetriska modellen inom partikelfysiken pekar på att de här partiklarna ska finnas. De är lite som neutriner, men mycket massivare – flera hundra miljarder gånger massivare. Det är just på grund av den stora massan som de skulle de kunna utgöra den mörka materien, menar Tord Ekelöf.

Det världsomspännande nätet

En intressant aspekt av CERN är att det var där World Wide Web skapades. Den föddes av den engelske datavetaren Tim Berners-Lee, som vid tillfället jobbade på CERN. Www var ett förslag från Berners-Lee på hur CERN kunde göra sin forskning tillgänglig för forskare som inte var på plats i Schweiz.

Passande nog utarbetar CERN just nu ett ännu mycket kraftfullare världsomspännande datorsystem kallat GRID, som CERN behöver för att kunna analysera alla data som kommer att produceras av LHC . GRID kan, i likhet med www, komma till användning inom många andra delar av samhället än forskningen. Sverige deltar i denna utveckling med det nationella projektet SwedGrid.

Tim Berners-Lee är numera professor i datavetenskap och artificiell intelligens vid amerikanska MIT. Han har på senare tid uppmärksammats med en rad hedersutmärkelser för sina insatser som gudfar för internet.

Copyright 2000 - 2014 © European Space Agency. All rights reserved.