Hvorfor? – Hvordan? – Hvad så? Baggrunden for Verdens Største Fysik-Forsøg: “The Large Hadron Collider” Hvorfor? – Hvordan? – Hvad så? Peter H Hansen Niels Bohr Institutet

Hvad er verden lavet af? 1933- I 1933 var svaret: Ganske få Partikler: Atomer med Elektroner (Q=-e)‏ En lille kerne med protoner (+e)‏ neutroner (0) 1933-

Hvad er en partikel? I 1933 vidste man at en partikel er også en bølge og vice versa. Det som karakteriserer en partikel er snarere dens kvantetal. Blandt disse er partiklens spin.

Hvad er en kraft? Maxwells smukke ligninger forklarer samtidigt elektriske og magnetiske kræfter på ladninger. Disse kræfter kan rejse som bølger med lyshastighed. I feltteori er kræfterne udvekslede partikler - i det elektromagnetiske tilfælde de kvantiserede fotoner.

Stofpartikler og kraftpartikler Stofpartikler (feks elektronen) er fermioner med spin 1/2. Af dem kan der kun være een i hver tilstand. Derfor det periodiske system. Her er elektronerne tvunget til at opfylde “skaller” I stedet for alle at samle sig I den lavest mulige energitilstand. Kraftpartikler (feks fotonen) er bosoner med spin 1 eller 0. Dem kan der være uendeligt mange af i en bestemt tilstand. Derfor har vi laseren.

Hvad holder kernen sammen? Yukawa foreslog i 1935 at de stærke vekselvirkninger, som holder protonerne og neutronerne sammen i den lille kerne skyldes pionen med tre ladningsvarianter: pi+, pi- og pi0, med spin 0.

Kosmiske stråler afløses De fleste opdagelser op til 1960 kom fra kosmisk stråling Herefter kommer alle nye opdagelser fra acceleratorer

De nye acceleratorer CERN dannes i 1954 af de Europæiske lande og i 1960 står Proton Synchrotronen færdig. Nyheden er magnetiske fokuserende elementer, så man kan klare sig med et lille strålerør.

Elementer af en synchrotron Dipol magneter til at fastholde cirkelbevægelsen Kvadrupol-par til at holde strålen slank. Sextupoler til korrigere kromatiske effekter. RF-kaviteter til at accelerere strålen.

De nye detektorer Glaser opfinder boblekammeret 1956 Senere kommer elektroniske “kameraer” til:

Hele flokke af partikler opdages Med de nye acceleratorer og detektorer opdages i 1960-70erne 100er af nye, stærkt vekselvirkende, partikler - - både “almindelige”, “strange”, “charm” og “beauty”. Hvorfor dog al denne diversitet? Svaret var, at stærkt vekselvirkende partikler, hadroner, består af kvarker. Et nyt lag i Pandoras æske..

Kvarkerne “ses” Med højenergetiske partikelstråler kan man “se” kvark-strukturen i protonen. (Første gang i SLAC 1969)‏

Standardmodellen Standardmodellen fra 1962-70 postulerer en lokal symmetri overfor “rotation” af stofpartiklernes “ladninger”. Igen en gauge- symmetri. Denne medfører kraftpartiklerne: W,Z,foton og gluon. Anno 1983 er de alle eksperimentelt bekræftet:

SM konsolideres CERNs LEP accelerator udsætter i 90erne SM for et Guantanamo forhør. SM består med glans.

Det nye periodiske system Proton Elektron, e d kvark Foton, γ Gluon, g Ikke korrekt skala! Almindeligt stof u kvark Stof partikler Kvarker Leptoner e μ τ u c t νe νμ ντ d s b Kraftbærende partikler Ikke set! h G γ g W Z Et brintatom  Teorien hænger logisk sammen.  Underliggende al fysik, astronomi, kemi og liv! Næsten alt er testet med høj præcision! Men adskillige fundamentale spørgsmål er ubesvaret…

Den elektro-svage kraft I Standardmodellen forenes den elektromagnetiske og den svage kraft i een formalisme. Fotonen og den elektrisk neutrale Z boson er af “blandet” oprindelse. W+- bosonen kobler kun til “venstre-håndede” partikler. W+- boson koblinger skifter mellem “op-ned” (feks u-d kvark), men “op” og “ned” er her en blanding af de fysiske masse-egentilstande af kvarkerne.

Den stærke kraft Ligner meget den elektromagnetiske, men kobler til en tre-dimensional ladning kaldet farve (rød, gul, grøn). Gluonen bærer en ikke-neutral kombination af farve og anti-farve, og tiltrækker således andre gluoner (I modsætning til tilfældet med fotoner). Dette giver et tiltrækkende potentiale der, for høje kvark masser, kan skrives som U=kr, og således forhindrer at nogen kvark kan trækkes ud i fri tilstand.

Problemet Problemet er at i teorien er alle disse “kraft- partikler” masseløse. Et explicit masseled i energien ville ødelægge gauge-invarians. Men faktisk er W og Z partiklerne meget tunge (ca 100 gange protonens masse), medens fotonen og gluonen er masseløse. Hertil kommer at ved høje energier ville W partiklerne (deres longitudinale komponent) reagere med hinanden med sandsynligheder over 100% - ikke godt..

Løsningen? Selve det tomme rum i hele universet er ikke tomt men gennemvædet af en klæbrig suppe, Higgs-feltet, der bremser partikler, nogle mere end andre, og herved giver dem masse. Ved universets fødsel har det tomme rum været tomt, men umiddelbart herefter er Higgs-feltet trillet ned fra toppen af sit “mexikansk hat” potentiale: Det er således ikke naturlovene som bryder gauge-invarians, men bare den realiserede løsning for vacuumet. Hvilket er OK.

Hvad er masse? Ifølge teorien – Standard-modellen – kan partikler ikke have masse. Men det har de altså! Løsningen er Higgs-mekanismen: En fest på en færge med mange mennesker Anders Fogh kommer og prøver at komme til baren i den anden ende Folk stimler sammen om ham, og han får vanskeligere ved at komme frem; han har fået større masse p.g.a. vekselvirkning med omgivelserne Partikel På samme måde er hele universet fyldt med et energifelt: Higgs-feltet som giver partikler masse

Konsekvensen: Higgs partiklen Antag nu at bare rygtet om berømtheden ankommer til døren. Folk stimler igen sammen om døren og denne sammenstimling forplanter sig med en bestemt hastighed igennem rummet. Det svarer til en ny partikel: Higgs partiklen Den har en helt central rolle, som manifestation af mekanismen hvormed partikler får masse. MEN DEN ER ENDNU IKKE OBSERVERET!

The Large Hadron Collider! Problemer med SM Den beskriver overhovedet ikke tyngdekraften – den vigtigste kraft af alle I universet Den har heller ikke nogen forklaring på det mørke stof og den mørke energi som i følge observationer udgør 94% af universet. Higgs-partiklen er ikke fundet! - Og hvis den bliver fundet rejser det nye problemer. Teoretisk kan man ikke have stabilitet med en massiv spin 0 partikel på færde uden umådelig “fine tuning”. Den forklarer ikke hvorfor der kun er stof og ikke noget anti-stof i universet – ikke fordi vi er utilfredse, for det er derfor vi ER HER! Derfor VED vi at noget nyt SKAL dukke op ved høj energi. Vi står derfor kun begyndelsen på rejsen til det ukendte! Vi har brug for verden bedste supermikroskop: The Large Hadron Collider!

Acceleratoren proton+proton med en kollisions-energi på 14000000000000 eV Pakker med 100 milliarder partikler støder sammen 40 millioner gange per sekund.

Vores detektorer er 3D digitale kamerarer Kæmpestore Domkirke-størrelse! Ultra-Præcise: Bedre præcision end et hårstrå! Ekstremt hurtige: 40 millioner billeder per sekund! Bygget af kollaborationer: Tusindvis af fysikere og ingenører fra mere end 35 lande

ATLAS Detektoren 1000000000 gange I sekundet!! Danmark Rundetårn – 35 meter 1000000000 gange I sekundet!! Samlet vægt: 7000 tons (sammenlign med rundetårn: 5900 tons)‏ 25 25

Og resultatet er Partikler med høj fart En Higgspartikel blev skabt!! Hvis vi gemmer alle billeder på cdrom, så bliver stablen per år 4 gange afstanden til månen! Derfor gemmer vi kun 100 begivenheder per sekund Meget mindre end en Higgs per sekund Meget mindre end eet mini sort hul per sekund Men det er stadigt 3 km cdrommer om året! 26

Mindst en Higgs er allerede blevet Observeret  Hvor sikker er opdagelsen af en Higgs? Mindst en Higgs er allerede blevet Observeret  P.W. Higgs, Edinbourgh Universitet

Hvad håber vi at se? Find Higgspartiklen Hvis Higgs: Studere den Hvis ikke Higgs: Find noget andet Kig efter tegn på ”ny fysik” Super Symmetri (SUSY)‏ Nye elementarpartikler Ekstra dimensioner Mikroskopiske Sorte Huller Hvorfor er der ikke noget anti-stof? Universets mangler stof: SORT STOF Vi forventer Higgs og/eller noget ”nyt” ved LHC LHC detektorerne kan finde alle disse spændende ting hvis de dukker op Men kan også finde noget helt NYT!

Beviser for mørkt stof Rotationskurver Gravitationslinsning Galakse sammenstød Kosmisk mikrobølge stråling: normalt/mørkt=1/6

From the smallest scale to the largest 4/3/2017 Peter Hansen DG presentation

Peter Hansen presentation PLANCK is at work! 4/3/2017 Peter Hansen presentation

Mange teoretiske muligheder

Eksempel på mulig ny fysik Er der nogen grund til at vi lever i netop 3+1 dimensioner? Flere er faktisk slet ikke udelukket

Ekstra dim og tyngdekraften Ekstra dimensioner kunne forklare hvorfor der eksisterer en uhyre stor Planck skala på 10^19 GeV. De kunne fortynde tyngdekraften:

Dagens opskrift: Mini Sort Hul 1 stk. Standard-Model ✔ Mindst 1 ekstra attoskopisk dimension ✔/✖ En accelerator til at ”mase” partikler hårdt sammen ✔ Sammenstød Skabelse Fordampning Det hele tager bare 0.000000000000000000000000001 Sekund!

Er det et problem? Makroskopiske sorte huller: For eksempel skal jorden mases sammen til mindre end 2cm for at blive til et sort hul. Det kan den kun gøre hvis den vejede mange millioner gange mere end den gør. Mikroskopiske sorte huller Kosmisk stråling fra rummet har forlængst overgået LHC -- og vi er her endnu!

Hvordan vil et sort hul se ud? Spektakulært! Det henfalder demokratisk til ALLE eksisterende partikler, tilladt af energibevarelsen:

Men hvad er så elektronen? At tænke sig… Elektronen synes idag at være en udelelig elementarpartikel… Men hvad sker der så hvis vi zoomer, Zoomer, ZOOMER,… Og laver en mindre og mindre kasse omkring elektronen Tilsidst bliver kassen presset så lille at den bliver til et sort hul… Men hvad er så elektronen? “Partikler, Partikler, Partikler…”

Tidsplanen for LHC November 2009: Tryk på knappen! Nu: Acceleratoren Reparation efter uheld Teste resten af ringen Detektorerne Teste og kalibrere og teste og… Klargøring November 2009: Tryk på knappen! Sommer 2010?: Første resultater Champagne!! Vinter 2010: Opdagelsesrejsen STARTER 

Hvad så efter LHC? Lad os se, hvad vi finder. Men efter ca 5 års operation er LHC død. Planen er at fortsætte efter en opgradering af maskinen og detektorerne til at klare 10 gange højere intensitet i de kolliderende proton stråler. Ingen af opgraderingerne er simple!

Og så? Oh, ønskesedlen er lang: Øverst står en lineær elektron-positron collider til at studere i detaljer, hvad LHC har fundet. Så en neutrino-fabrik og en b-quark fabrik til studier af meget sjældne fænomener ved “lav energi”. Herefter en ny “opdagelsesmaskine”. Men så er vi også ved mindst 2030.

Partikelfysik “Spin-offs” Uddannelse Forskning Medicinsk apparatur Computer Teknologi Forsker træning

Konklusion Med LHC starter en ny opdagelsesrejse. Vi aner ikke, hvad den vil finde. Men vi TROR at den vil finde noget! Noget der vil give et mere omfattende svar på hvordan verden er skruet sammen. Hvor det fører hen ved vi ikke, men historisk har sådanne rejser altid været utroligt frugtbare.