Partikelfysik

En introduktion till partikelacceleratorer

publicerad 4 månader sedan av
Valentin Voistinov

Partikelfysik handlar om att studera subatomära partiklar, men som namnet medför är dessa partiklar mindre än atomer och kan inte ens observeras med ett mikroskop. Så hur studerar vi något som inte kan observeras? Svaret är hårt arbete, höga kostnader och häftig fysik. Det vi behöver är partikelacceleratorer. I grunden är partikelacceleratorer maskiner som accelererar partiklar till otroligt höga hastigheter för att sedan få dem att kollidera med varandra. Den första officiella partikelacceleratorn byggdes av Ernest Lawrence och patenterades den andra februari 1934. Året därpå fick han nobelpriset för sin uppfinning.

Ett diagram av Ernest Lawrences patent på partikelacceleratorn. Den illustrerar en typ av partikelaccelerator som kallas cyklotron. Bild av Ernest Lawrence.

Varför skulle vi vilja kollidera partiklar? Vid en sådan kollision finns det en möjlighet att nya partiklar skapas. Alltså, genom att kollidera två protoner med varandra kan andra sorters partiklar bildas och studeras, men de nya partiklarna kan inte vara tyngre än den totala energin av de ursprungliga partiklarna. För att då skapa tyngre partiklar krävs det att de kolliderande partiklarnas hastigheter ökas, eftersom det ökar deras kinetiska energin och mer kinetisk energi innebär större totalenergi. Enligt Albert Einsteins kända formel E=mc2 är massa och energi direkt proportionella med varandra och det innebär att när den totala energin ökar, då ökar även den totala massan. Med andra ord, ju snabbare partiklarna färdas, desto tyngre partiklar bildas vid en kollision. Hastigheter som partiklar kan nå med dagens acceleratorer ligger oerhört nära ljusets hastighet.

Dagens partikelacceleratorer är kraftfulla och kan framställa tunga partiklar, men vägen dit har varit lång och fylld med utmaningar. De första partikelacceleratorerna var mycket svagare, då de var begränsade av dåtidens teknologi. Det innebar att partikelfysiker var tvungna att vänta tills nyare och kraftfullare partikelacceleratorer byggdes för att teorier kunde testas. Ett extremt exempel är Peter Higgs och ett gäng andra vetenskapsmän som var tvungen att vänta mer än 40 år för en tillräcklig kraftfull partikelaccelerator som kunde bevisa teorin om Higgsbosonen. Trots begränsningarna av den dåvarande teknologin fanns det andra sätt att utföra forskning. En av dessa är att detektera partiklar från kosmisk strålning

Kosmisk strålning är strålning som härstammar från rymden och kan bestå av allt från gammastrålning till strömmar av laddade partiklar som protoner och elektroner. Det som dock bidrar till ny forskning är de laddade partiklarna. Dessa kan kollidera med molekylerna i atmosfären och bilda nya och tyngre partiklar som fortsätter sin färd ner mot jorden där de kan detekteras. Men för att partiklarna inte ska gå förlorade i atmosfären måste de detekteras högt uppe. Det innebär att partikelfysiker behövde bestiga berg med sin utrustning för att genomföra sin forskning.

Jorden träffas konstant av kosmisk strålning, men en stor del blockeras av jordens magnetfält och atmosfären. Strålningen kan ändå användas som en källa för partiklar att studera. Bild av Vincentiu Solomon från unsplash.

Genom denna metod har partikelfysiker detekterat partiklar med högre energier än vad dagens partikelacceleratorer kan åstadkomma, men de har också lyckats upptäcka nya. Pionen och myonen är exempel på partiklar som har upptäckts från kosmisk strålning. Trots dessa fynd är metoden relativt ineffektiv. Ifall en okänd partikel detekteras vill fysiker gärna återupprepa detektionen med samma förutsättningar för att bekräfta och stärka dennes existens, men eftersom vi inte kontrollerar vilka partiklar som anländer är detta omöjligt. Det som kommer från kosmisk strålning är för slumpmässigt och därför är det fördelaktigt att istället använda en partikelaccelerator för då kan experiment återupprepas med samma förutsättningar.

Även om partikelacceleratorer bär med sig flera fördelar är konstruktionen och användningen av en sådan maskin ingen enkel uppgift. Partikelacceleratorer finns i olika storlekar och former, men generellt delas de in i två huvudtyper cirkulära och linjära acceleratorer. Skillnaden mellan dem är riktningen partiklarna färdas i, och detta har i sin tur sina egna för- och nackdelar. Det finns även andra faktorer som kan varieras, till exempel antalet och typen av partiklar, deras kollision och hur snabbt de färdas. Alla dessa faktorer har egna för- och nackdelar, och kommer passa bättre i olika situationer.

Partikelaccelerator hos Fermilab i Batavia, Illinois, USA. Den kallades Tevatron och var den starkaste partikelacceleratorn tills CERN:s LHC tog platsen år 2010. Bild av Reidar Hahn.

Partikelacceleratorer kan alltså modifieras, men generellt fungerar de olika typerna på liknande sätt. För att accelerera partiklar används elektriska fält där fältet tillför arbete till en laddad partikel och öka dennes kinetiska energi. För att sedan korrigera partiklarnas riktning används elektromagneter. Med hjälp av magnetfält kan partiklarna få något som en cirkulär bana. Sedan kan partiklarna fortsätta accelerera runt den cirkulära banan tills de har en tillräcklig hög hastighet. Kollisioner mellan partiklarna kan då ske och nya partiklar kan skapas.

Partikelacceleratorer är verkligen komplexa, men inget mindre revolutionerande. De har tillåtit oss att undersöka en värld som vi annars inte hade haft tillgång till och från det har vi kunnat utveckla vår förståelse av universums minsta byggstenar. 

Källor som användes i den här artikeln