Rett nok er me berre 60 meter under jorda i Genève, men me er djupt inne i materien. Dosimeteret fortel oss om strålande grunnforsking.

«No har eg sett tre av dei fire detektorane», utbryt ein euforisk Anders Mikkelsen. Han skriv bacheloroppgåva si ved Høgskulen på Vestlandet hos Cern.

I bakgrunnen peikar førsteamanuensis Johan Alme med dårleg skjult byrgskap på partikkeldetektorelektronikken han har vore med på å utvikla.

Me er nede ved den såkalla Alice-detektoren i den 27 kilometer lange sirkulære partikkelakseleratoren (Large Hadron Collider). Ho har opna magnetane sine for å visa oss dei indre kvalitetane.

I Alice-detektoren frontkolliderer blykjernar og proton med tilnærma ljosfart for å laga kvark-gluon-plasma som kan gje oss forståing om dei minste byggjesteinane i materien (kvarkar) og krafta (gluon) som held dei saman i atomkjernane.

Nokre kilometer unna i tunnelen ligg Atlas-detektoren, der dei har kollidert proton og funne det etterlengta higgsbosonet som forklarar kvifor partiklane har masse og dermed sementerte den gjeldande partikkelteorien.

Laga i Noreg: ITS-detektoren ligg lagvis rundt røyret der partiklane vert akselererte. Me har god grunn til å vera stolte av det me er med på å byggja for Cern, heilt fremst i den teknologiske utviklinga.

Kjelde: Cern

Det er ti år sidan eg var på Cern, og eg er no på tur til Johan Alme ved Universitet i Bergen for å høyra om det har skjedd noko nytt. Vel, for det fyrste har han no vorte professor, og dei har laga detektorar for to køyringar av Alice mellom 2013 og 2023. No held dei på med endå ein ny type detektor. Eg spør Johan korleis Alice verkar.

– Når blykjernane kolliderer med høg energi, vert det laga ei kvark-gluon-suppe som varar ei stutt tid før det heile vert fragmentert til allslags moglege partiklar som sprutar i alle retningar. For å finna ut kva slags partiklar som kjem ut av hendinga, har ein detektorar. Langs røyret der kollisjonane skjer, har ein sterke magnetar som bøyer partiklane. Har dei positiv lading, vert dei bøygde eine vegen, og har dei motsett lading, bøyer dei seg andre vegen. Kor mykje dei vert avbøygde, fortel noko om massen til partikkelen. Rundt røyret er det stabla silisiumdetektorar som måler partiklanes ferd ut frå røyret. Det er sju lag med slike detektorar. Silisiumdetektorane er som biletbrikker for partiklane. Når ein partikkel treffer ein piksel, vert han endra og partikkelposisjonen bestemt. 

Desse silisiumdetektorane er noggranne, men dyre, og difor har ein ein sylinderdetektor utanfor. Han er fylt med gass og har eit elektrisk felt parallelt med det indre røyret. Når ein partikkel fyk igjennom sylinderdetektoren, slår han laus elektron i gassen. Desse elektrona driv så med det elektriske feltet til to ladingssensorar som er sylindriske og står normalt på det indre røyret.

Utanfor det igjen har ein såkalla kalorimeter som bråbremsar partiklane og dermed finn energien. Så er heile detektoren skjerma av ein betongkloss, og det einaste som slepp igjennom, er nøytrino og muon. Det er heile 18 detektorar i Alice, men dei eg har nemnt, er dei viktigaste for å finna eigenskapane til partiklane.

Då eg vitja Cern, dreiv Universitetet i Bergen på med å laga detektorane i sylinderdetektoren, men no er dei med på å laga dei som vert stabla rundt røyret. Eg spør om det er nokre nyvinningar på gang.

– Absolutt, me er no i gang med å sjå på elektronikk som kan verta bøygd. Då kan me leggja lag på lag med silisiumdetektorar rundt det indre røyret og få betre målingar. Utfordringa for oss er at detektorane må tola stråling, og at målingane vert lesne og prosesserte stendig snøggare.

Me tar ein tur på laboratoriet, der nye og eldre utgåver av detektorelektronikken er spreidde utover saman med måleinstrument. I rommet ved sida av helsar eg på mange tidlegare studentar som sit og programmerer.

Alice i all sin velde. Ingeniørar elskar forkortingar. Silisiumdetektorane heiter ITS og sylinderdetektorane TPC, og ytst finn ein kalorimetra EMCAL og PHOS.

Kjelde: Cern

Medan eg vandrar frå universitetet til høgskulen, tenkjer eg i mitt stille sinn at utan Høgskulen på Vestlandets elektronikkstudentar hadde kanskje Cern stoppa. Når eg set meg ned i det opne landskapet, kjem eg plutseleg på at eg gløymde å spørja kva fysikksvar ein fekk ut av Alice. Heldigvis treng eg ikkje gå langt eller venta lenge for å få svar. Håvard Helstrup, som er professor i kjernefysikk, sit jo rett borte i gangen.

– Når blykjernar kolliderer, vert dei til ei elementærpartikkelsuppe som i løpet av 0,00 000 000 000 000 000 000 001 sekund eksploderer og sprutar ut ei rad partiklar. Med hjelp frå detektorane finn me ut at det vert flest av dei lette piona då dei er samansette av berre to kvarkar, men det kjem også ut tyngre partiklar som inneheld fleire kvarkar. Her kan det nemnast mellom anna proton og nøytron som har tre kvarkar.

Me kan ikkje sjå inn i atomkjernar og heller ikkje isolera kvarkar, fortel han.

– Me må difor kollidera dei for å så leita etter effektar som kan fortelja oss om kva som går føre seg inne i atomkjernane. Rett etter big bang var tilhøva slik som dei er når me kolliderer blykjernar. Me kan altså bruka desse målingane for å få kunnskap om universets danning og leita etter mørk materie me trur finst der ute i galaksane. Det var faktisk nokon som trudde at me skulle klara å laga eit nytt big bang med tilhøyrande univers då me starta målingane. Vel, slike høgenergetiske kollisjonar skjer heile tida overalt i universet. Ingen grunn til å vera uroa.

Eg går inn til meg sjølv att og finn fram David Griffiths standardverk Introduction to Elementary Particles og byrjar lesa på nytt. Eg forbannar at villniset i partikkelfloraen og teorien bak, som minte meir om religion enn forsking, der endeløyser vart trylla bort med såkalla uforståeleg renormalisering, gjorde at eg valde bort partikkelfysikk.

Per Thorvaldsen

pth@hvl.no