CERN -
Nu smäller det igen

Genève, Schweiz,

juli 2012

De har jobbat dygnet runt i flera veckor. Ända sedan de första tecknen på den banbrytande upptäckten började dyka upp för några månader sedan har en spänning legat i luften på Cern, det europeiska laboratoriet för partikelfysik.

Rykten har börjat sprida sig bland de 6 000 partikelfysiker som jobbar med experimenten här. Kan det vara så att det man har sett är Higgsbosonen, den så kallade Gudspartikeln, som man har letat efter i 50 år? Om ryktet stämmer har de skrivit historia. De har varit delaktiga i det största vetenskapliga genombrottet sedan Albert Einsteins relativitetsteori.

Forskare från hela världen har kommit hit för att jobba med världens största vetenskapliga experiment. I en 27 kilometer lång cirkulär underjordstunnel, på gränsen mellan Schweiz och Frankrike, har en big bang-maskin konstruerats för att återskapa de förhållanden som rådde mikrosekunderna efter universums födelse. För att kunna förstå hur allt vi känner till en gång uppstod accelererar man upp protoner till ljusets hastighet och låter dem krocka med varandra till ett fyrverkeri av ännu mindre partiklar.

Maskinen heter Large Hadron Collider. Den tog 20 år att bygga och har kostat 70 miljarder kronor. Över 600 universitet från 113 länder deltar i projektet, med forskare i fysikens absoluta framkant. Om man vill söka efter det hittills okända, om man vill hitta förklaringar på vetenskapens allra mest gäckande frågor, finns det inget bättre ställe att leta på än här. Och just den här heta julieftermiddagen ska fysikerna få reda på vad de har funnit.

I bilderna från partikelkollisionerna tyder flera tecken på en upptäckt, men ingen utanför en sluten expertgrupp vet hur säkra de är. Några fysiker har sovit utanför auditoriet natten innan för att försäkra sig om att få en plats när denna fysikens månlandning kanske äntligen ska presenteras.

En bit in i seminariet säger Cerns generaldirektör Rolf Heuer, med tysk brytning och lätt darrande röst:

– We have a discovery.

Det är årtusenden sedan grekerna trodde att atomen var världens minsta byggsten, och döpte den just till atom som betyder odelbar. Och många minns säkert fysiklektioner då man fick lära sig att atomens minsta beståndsdelar hette protoner, neutroner och elektroner.

Men under det senaste århundradet har fysikernas bild av vår existens förändrats radikalt. Långsamt har en helt ny karta över universums uppbyggnad växt fram. De kallar den standardmodellen, ett prydligt schema över tolv materiepartiklar som sitter ihop med hjälp av fyra naturkrafter. Standardmodellen kan förklara det mesta som vi ser runt omkring oss. Hur solen skiner, varför himlen är blå och vad det är som får atomen att hålla ihop.

De flesta av standardmodellens partiklar har upptäckts under det senaste århundradet, från elektronen 1897 till tauneutrinon så sent som år 2000. Men länge saknades en partikel som var nödvändig för att få det hela att gå ihop. En partikel som ingen hade sett, men som teoretikerna införde som en hypotes för att förklara hur alla de andra partiklarna fick massa. Utan Higgspartikeln skulle inget av det vi ser kunna finnas till, inklusive oss.

Den flyktiga partikeln var den första frågan man hoppades besvara genom att bygga den monstruösa tunnelmaskinen utanför Genève. Och i och med den stora upptäckten för två år sedan – som dessutom ledde till Nobelpriset i fysik – skulle man ha kunnat kalla uppdraget slutfört.

Om det inte var så att standardmodellen bara kan förklara 5 procent av hela universum.

– Det är klart att det var häftigt att vi upptäckte Higgsbosonen, det var efterlängtat men samtidigt förväntat. Det finns flera andra saker som vi förstår mycket mindre av, berättar partikelfysikern Christian Ohm.

Han har jobbat på Cerns stora accelerator i åtta år, och han har mött oss utanför huvudkontorets reception. Med tanke på de resurser som har lagts på själva acceleratorn skulle man kunna vänta sig ett hypermodernt huvudkontor, men det här ser snarare ut att vara hämtat från Östtyskland anno 1971.

Christian berättar att det är likadant med kontoren.

– Det mesta på Cern byggdes på 1950-talet, och det görs inte mycket renoveringar ovanför ytan. Allt krut läggs på det som ligger under jorden, säger han.

Christian Ohm var en av de fysiker som satt i auditoriet den där dagen när de gjorde upptäckten av Higgspartikeln officiell. Och visst fortsätter man att studera den nya partikelns olika egenskaper, men det som verkar intressera Christian Ohm mest är frågor som är ännu mer höljda i dunkel. Som den så kallade mörka materian, som det verkar finnas fem gånger mer av än den materia vi kan uppfatta. Men ingen vet vad denna mörka materia faktiskt är uppbyggd av. Kanske består den av en helt ny typ av partikel, som inte interagerar med ljus och som därför inte syns i teleskopen.

– När vi ser hur till exempel hopar av galaxer rör sig i universum verkar de gravitera runt materia som vi inte kan se eller mäta. Men vi vet inte vad det är för typ av partiklar som utgör den mörka materian. Vi har verkligen ingen aning om vad det är, säger Christian Ohm innan han tar oss med 100 meter under marken, till stället där han hoppas kunna bryta helt ny mark inom fysiken.

Den grundläggande tekniken är inte så komplicerad. När protonerna, som är en del av atomkärnan, separerats från vätgas får de en skjuts i flera steg av elektromagnetiska fält. Till slut flyger två partikelstrålar, tunnare än hårstrån, i motsatt riktning med ljusets hastighet i den cirkelformade tunneln.

– Strålen passerar gränsen mellan Schweiz och Frankrike fyra gånger per varv, och den åker 11 000 varv per sekund, berättar Christian Ohm på väg ned i underjorden.

En låsmekanism läser av hans iris – en del av den minst sagt rigorösa säkerheten som omger hela mastodontprojektet.

På fyra ställen korsas strålarna för att skapa kollisioner mellan partiklarna, och deras höga energi ger upphov till nya partiklar – förhoppningsvis sådana vi aldrig tidigare skådat.

Runt en av dessa kollisionspunkter har Atlas-experimentet byggts upp, den detektor som Christian Ohm jobbar med. Som ett vidunderligt, stirrande stålöga, stort som ett fyravåningshus, sitter den inbäddad bland magneter, kylsystem och fiberoptiska kablar i olika färger. Egentligen fungerar den som en stor digitalkamera som fotar och registrerar allt som händer varje gång protonerna krossas mot varandra.

Det sker ungefär 40 miljoner gånger per sekund.

– Just nu lägger jag ganska mycket tid på att koda mjukvaran som ska hjälpa oss att förstå vad som hände i själva kollisionen och sålla bort det som är irrelevant. Det blir ganska många rader kod, säger Christian Ohm och skrattar.

Han visar oss magneterna som böjer partikelstrålen till en cirkelform och som ser till att den håller sig på plats. För att magneterna ska vara supraledande, det vill säga leda strömmen helt utan motstånd, måste de kylas ned till minus 271 grader Celsius med hjälp av tonvis med flytande helium.

– Den där stora bulten byggdes i Holland. Bara den väger 240 ton. Det bestämdes tio år i förväg var den skulle byggas och hur den skulle fraktas hit, och jag kommer ihåg när de kom körandes med den jättelångsamt här längs landsvägarna, säger Christian Ohm.

Det är uppenbart att det här bygget har planerats länge. Redan 1988 var beslutet fattat och alla specifikationer på plats. Men för att försöka förstå detta till synes vansinniga projekt får man gå ännu längre tillbaka i tiden.

Vid andra världskrigets slut höll europeisk vetenskap inte längre världsklass. Många framstående forskare hade flyttat till USA där förhållandena och förutsättningarna var bättre, vilket hade resulterat i en europeisk ”brain drain”. Det ville några av pionjärerna från fysikens ”guldår” i början av 1900-talet ändra på. De visste att det var i studiet av atomkärnorna och deras minsta beståndsdelar som fysikens framtid låg. Men kärnstudier kostar pengar, och vid det här laget visste man alltför väl hur farliga de kan vara i fel händer. Lösningen blev den europeiska vetenskapsorganisationen Cern, som förutom att vara ett rådande organ för hur man skulle hantera forskningen om atomkärnan också skulle fungera som ett jättelaboratorium där forskare från hela Europa kunde utbyta idéer och dela på kostnader. Styrkan blev en sorts grundforskning – ett helt öppet tänkande som inte drivs av kommersiella, industriella eller ideologiska intressen.

Vad upptäckten av Higgspartikeln, eller det möjliga avslöjandet av den mörka materian, ska leda till rent praktiskt är det inte många här som vet. Och ännu färre bryr sig. För fysikerna här handlar det om att förstå hur allt hänger ihop.

Men i försöken att rita en karta över det osynliga har man varit tvungen att göra flera nya uppfinningar som sedan har kunnat användas långt utanför vetenskapens ramar. Det var till exempel här på Cern som den brittiska vetenskapsmannen Tim Berners-Lee uppfann World Wide Web, för att möta behovet hos forskare runt hela världen av att automatiskt kunna dela information med varandra.

Men här på Cern står den uppfinningen i skuggan av acceleratorn. När detta fysikens flaggskepp skulle skicka runt sin första partikelstråle 2008 var förväntningarna skyhöga.

I flera månader hade spekulationer cirkulerat i medierna om den nya tekniken som skulle efterapa big bang och födelsen av allt. Kanske skulle man råka skapa ett svart hål som skulle sluka hela vår värld? Två amatörforskare hade till och med försökt stämma Cern för de risker de ansåg låg i experimentet.

Men på Cern brydde man sig inte så mycket om omvärldens spekulationer. De tusentals vetenskapsmän som var inblandade i projektet hade annat att grubbla över. Försening på försening hade gjort dem frustrerade. Nu var tekniken på plats, och den första kollisionen var nära.

Men redan på testkörningen hände det som inte fick hända.

I en bil mellan Jurabergen och de gröna fälten runt Cern, på väg mot nästa hissresa ned i underjorden, berättar fysikern Richard Jacobsson om den där ödesdigra dagen för sex år sedan.

– När vi slog på strömmen hettades ledaren upp på grund av ett monteringsfel. Heliumet började koka och magneten tappade sin supraledande förmåga. Och strömmen måste ju ta vägen någonstans så det slutade med att den förångade ett helt rör och delar av ett annat. Heliumet läckte ut och det blev en chockvåg som flyttade flera meter av acceleratorn. Alla rör böjdes och kröktes, berättar han.

Olyckan tog ett år att hämta sig ifrån. Testskjutningen med dess fulla kraft fick skjutas upp till 2015, efter en tvåårig nedstängning för underhåll. En fördel med nedstängningen är att man ytterligare kunde förbättra acceleratorn och detektorerna.

En annan fördel med att acceleratorn är avstängd är att vi kan följa med Richard Jacobsson ned i tunneln. Han är en av få som innehar de eftertraktade platserna som permanent anställd på Cern, och har jobbat här sedan 1990.

Nere i tunneln visar han de ställen i röret där starka elektriska fält ska ”knuffa på” protonerna så att de håller ljusets hastighet. Strålen får inte möta någon resistens.

– Naturligtvis har vi vakuum inuti röret. Vi har det bästa vakuum som någonsin skapats, samma nivå som finns ute i rymden. Vi får det genom en speciell ytbeläggning som vi har uppfunnit på Cern, som hettas upp till ett par hundra grader för att aktiveras. Det är därför det ser ut som om någon har svetsat på rören.

Vad skulle hända om man stod i vägen och träffades av partikelstrålen?

– Strålen väger bara en hundradels miljondels gram. Men den bär på lika mycket energi som snabbtåget tgv. Om man skulle köra in den i stål eller järn skulle den deponera så mycket energi att materialet skulle förångas inifrån. Nu består ju kroppen mestadels av vatten, så du kanske inte brinner sönder. Men man skulle inte må så bra, säger han, och lägger till att det bland annat är därför som säkerheten här så omfattande.

Richard Jacobsson är närmast outtröttlig. Det bästa sättet att beskriva hans intensitet är att tänka sig att Robert Downey Jr. skulle spela rollen som uppfinnaren Dr Brown i Tillbaka till framtiden.

– Min natur passar bra här, säger han. Jag behöver inte så mycket sömn och man måste ha kontakt med många olika människor och prata många olika språk.

Under den senaste körningen av acceleratorn var han driftansvarig för en av detektorerna, lhcb.

– Då var jag ansvarig och tillgänglig dygnet runt, så under fem års tid lämnade jag inte den här dalen.

Redan som fyraåring drömde Richard Jacobsson om att bli forskare. Då var det mest kemi och astronomi som gällde, och vid tio års ålder hade han ett komplett proffslabb hemma.

– Så fick jag tag på en bok som hette Kvarkar och leptoner när jag var tolv, och där såg jag en bild på Cern. ”Där vill jag jobba”, tänkte jag. Gymnasiet blev mest en transportsträcka.

Varför ville du just till Cern?

– Det är här allt händer. Som jag ser det finns det två olika personligheter som tar sig hit. Dels de som är passionerade sedan barnsben och som arbetar här som om det vore en betald hobby. Sedan finns det de som kanske ser det mer som en intressant utmaning eller något som är bra för karriären. Men de tappar ofta intresset med tiden, för det krävs så otroligt mycket för att hela tiden utmana sina egna tankar och inte köra fast. Man måste vara en konstant idéspruta för att lösa problem. Man känner sig dum hela tiden och inser gång på gång att man inte har full förståelse. Det här jobbet gör en väldigt ödmjuk.

Det är inte bara de forskare som jobbar på plats på Cern som använder acceleratorn. Regeln är att all data som kommer härifrån ska delas öppet. Så runt om i världen sitter tusentals fysiker och analyserar graferna över bilderna från partikelkrockarna. En av dem är Sara Strandberg. Hon är lektor i partikelfysik vid Stockholms universitet och ingår i universitets forskargrupp som jobbar med Atlasdetektorn. Hon jobbade på Cern i fyra år men flyttade hem när hon skaffade familj. Hon är en hängiven experimentalist, men när hon började plugga fysik ville hon precis som många unga fysiker bli teoretiker. Det är ju de som får mest kredd, som Peter Higgs som förutspådde, men inte praktiskt bevisade, Higgspartikelns existens.

– De flesta drömmer om att sitta och komma på coola modeller, som Einstein. Det är ju oftast teoretikerna man har som förebilder, för det är de som lyfts fram. Men ju mer jag pluggade, desto mer förstod jag att vetenskapen står och faller med experiment. Det är hela vetenskapens grund och en självklar väg framåt. Om vi studerar världen runt omkring oss kan vi alltid lära oss något nytt, säger Sara Strandberg.

Så nu jobbar hon alltså med världens största experiment, Cerns ståtliga partikelaccelerator.

– Cern kommer nog att utgöra den största delen av min karriär. De kommer ju att köra i minst 20 år till, och då är jag 55, säger hon.

Under de senaste åren har Sara Strandberg koncentrerat sig på något som kallas supersymmetri – tanken om att alla partiklar har en hittills osynlig partnerpartikel, en sorts spegelbild. Om universum skulle vara supersymmetriskt skulle det kunna förklara många av de frågor som hittills ställt till problem för fysikerna, saker som inte går ihop i de nu rådande modellerna. En av dem är den mörka materian.

På Cerns stökiga lunchservering berättar Christian Ohm vidare om den.

– Det är ett av de fenomen som vi kan observera i universum men som standardmodellen inte kan förklara, säger han. Samtidigt skulle svaret kunna vara inom räckhåll – vi skulle kunna trilla över ledtrådar i morgon. Och det skulle vara en ännu mer revolutionerande upptäckt än Higgspartikeln.

Att till fullo förstå den värld som Christian Ohm, Richard Jacobsson och Sara Strandberg jobbar i är mycket begärt. När man kommer ned på den skalan som partikel-acceleratorn i Cern skapar slutar den klassiska fysikens lagar att råda, och kvantmekanikens märkliga värld tar vid. Sedan man började studera dessa nya minipartiklar har de visat sig kunna försvinna och återuppstå och finnas på flera ställen på samma gång. De är både partiklar och vågor, och de kan påverka varandra ”telepatiskt” på flera mils avstånd.

Kvantmekaniken gjorde till och med Einstein illa till mods, och den kända kvantfysikern Richard Feynman sa: ”Om du tror att du förstår kvantmekanik förstår du inte kvantmekanik.”

Sara Strandberg, Richard Jacobsson och Christian Ohm försöker i alla fall komma så nära det går.

När partikelströmmarna i början på 2015 återigen börjar skjutas runt inuti den långa tunneln kommer det att ske med dubbel kraft jämfört med första körningen. Äntligen kommer protonerna att krocka med den energi som acceleratorn byggdes för.

På Cern är stämningen förväntansfull. I ett och ett halvt år har acceleratorn varit avstängd, den har öppnats på 10 000 ställen och varenda koppling har säkrats. Nu är det bara några månader tills den går i gång igen. Och om man hittade Higgspartikeln redan vid halva kraften, vad kan man då inte hitta nu?

Genom att krossa partiklar med aldrig tidigare skådad kraft hoppas fysikerna på att besvara frågor om vad det osynliga 95 procent av universum består av, hur materia uppstod och vad som hände de första ögonblicken av universums existens.

En av anledningarna till att Einsteins kända relativitetsekvation är så beundrad är att den är så enkel. Genom att leta sig tillbaka till universums födelse verkar den nya generationens partikelfysiker hoppas kunna hitta något ännu enklare och ännu vackrare, en och samma urkraft eller ett enda tillstånd som allting sprungit ur.

– Det handlar om att man helt och fullt letar efter det som är okänt, det som ingen har sett förut, säger Sara Strandberg. Man pressar människans kunskap framåt och upptäcker helt banbrytande grejer. Alla vi experimentalister skulle ha kunna få ett mycket mer välbetalt jobb inom industrin, men det som driver oss är en längtan att förstå världen.

Hon säger att hon aldrig har behövt någon gud.

– Tillvaron är tillräckligt magisk som den är.