Viten

CERN jakter høyere fart i plasma

Forskerne tror det kan gi nye, uventede svar.

Large Hadron Collider (LHC), protonknuseren ved CERN i Sveits, der Higgspartikkelen ble oppdaget i 2012. CERN

  • Erik Adli
Viten er Aftenpostens satsing på forskning og vitenskap, der forskere og fagfolk fra hele landet bidrar med artikler.

Les også de to første artiklene i serien:

Les også

Når immunsystemet ditt tar opp kampen mot kreft

Les også

Den nye vannkraften

Nysgjerrighet er en sterk drivkraft for teknologiutvikling. Et godt eksempel på dette er LHC, protonknuseren på CERN, der Higgspartikkelen ble oppdaget i 2012.

Men la oss vandre tilbake i tiden til starten av forrige århundre. Forskeren ErnestRutherford hadde i 1909 overraskende funnet at atomer stort sett består av tomt rom, pluss en veldig liten hard kjerne i sentrum.

Dette fant han og hans team ut ved å sende heliumkjerner i stor hastigheter mot en tynn gullfolie. De fleste heliumkjernene gikk rett gjennom folien. Noen få traff gullatomkjernene, og spratt tilbake.

Erik Adli. Brad Plummer

I fysikkeksperimenter trenger vi på samme måte som Rutherford partikler med høy nok energi til å undersøke så små strukturere som mulig. Disse partiklene får vi tilgang til ved bruk av akseleratorer. En partikkelakseleratorer er en maskin som akselererer partikler, det være seg elektroner, protoner eller andre ladde partikler, til svært høye hastigheter. Ofte helt opptil lyshastigheten.

Grunnlaget ble lagt

Tyve år etter Rutherfords gullfolie var nordmannen Rolf Widerøe student ved den tekniske høgskolen i den tyske byen Aachen. Han foreslo et nytt prinsipp for å akselerere partikler, akselerasjon ved bruk av vekselspenning. Ideen ble grunnlaget for all senere akseleratorutvikling.

Forskere ved Berkeley i California bygde i 1931 en vekselspenningsbasert akselerator som fikk plass i en håndflate. Den kunne likevel akselerere partikler med en spenning tilsvarende åtti tusen volt. Dette var mulig ved å sende partiklene i en spiralbane, og bruke den samme spenningen igjen og igjen.

De neste tiårene ble stadig større og kraftigere akseleratorer bygd opp i Russland, USA og på CERN. Nordmannen Odd Dahl, også kalt «trollmannen», var en av hjernene bak CERNs første kilometerstore akselerator. Fra 60-tallet ble en rekke nye partikkeltyper oppdaget i akseleratoreksperiment med tilhørende spesialdesignete detektorer : kvarker, nye leptoner, utvekslingsbosoner, og til slutt altså Higgsbosonet.

Nye bruksområder

Akseleratorteknologi er blitt drevet fram av de grunnleggende spørsmålene vi stiller oss om hva verden er bygd opp av.

I tråd med oppdagelsene innen partikkelfysikk har akseleratorer fått en rekke anvendelser i samfunnet. Den mest utbredte er strålebehandling for kreft.

Tradisjonell strålebehandling består av en akselerator der elektron med høy energi blir omformet til røntgenstrålingen som brukes til behandlingen. Mange tusen slike akseleratorer er i bruk verden over. Flere krefttyper kan bestråles presist og effektivt ved å sende tunge ladde partikler direkte mot kreftvevet. Denne typen kreftbehandling, kalt partikkelterapi, er nå tilgjengelig i mange land nettopp på grunn av jakten på partiklene.

Avanserte akseleratorer brukes i dag videre som kraftige røntgenlyskilder for livsvitenskap, materialvitenskap og på en rekke andre områder. De vil også være en viktig komponent i akseleratordrevne Thoriumkraftverk.

Neste generasjon akseleratorer

Partikkelfysikk har mange ubesvarte spørsmål, også etter oppdagelsen av Higgsbosonet. Det er sterke indikasjoner på at universet er fullt av mørk materie vi ikke kan forklare. Det er heller ikke forstått hvorfor mange forskjellige partikkeltyper som trengs for å forklare hva materie er.

Kunne det tenkes at partikler vi i dag ser på som ulike, er varianter av samme grunnelement?

Fram til nå har stadig mer presise og kraftfulle partikkelkollisjoner gitt noen svar. Derfor er fysikere i gang med å finne sterkere og mer effektive metoder for å akselerere partikler enn Widerøes vekselspenning. For eksempel er et lovende konsept å bruke plasma.

Et plasma er en samling av frie elektroner og ioner. Meget sterke elektromagnetiske felt kan skapes i et plasma ved forflytning av elektrisk ladning. Disse feltene er mye sterkere enn felt dannet av vekselspenning. Partikler kan bli akselerert i plasmafeltene i en prosess vi kaller plasmabølgeakselerasjon.

La oss ta dette eksemplet videre.

Med plasmabølgeakselerasjon kan en potensielt lage akseleratorer som er mange ganger mindre, og også mer kostnadseffektive enn dagens modeller. Selv om teoretiske og numeriske studier tilsier at konseptet skal fungere, kreves presise eksperimenter for å vise at alle effekter av plasmaet er forstått til fulle. Slike eksperimenter ble utført i USA på 2000-tallet. Resultatene viser at plasmaet kan gi meget sterk akselerasjon.

Det gjenstår fortsatt å se om man kontrollere prosessen med høy nok presisjon. Flere laboratorier i Europa ønsker nå å studere plasmabølgeakselersjon videre, for eksempel CERN der Universitetet i Oslo er en del av forskergruppen.

Slike eksperimenter krever ressurser i form av eksperimentelt utstyr, forskere og studenter, og ikke minst ståpåvilje.

Nysgjerrighet

Dette er grunnleggende teknologiutvikling, drevet av nysgjerrighet og av behovet for kraftigere høyenergifysikkmaskiner. Siden en ikke kan si med sikkerhet hva neste generasjons plasma-eksperimenter vil vise, kan en ikke love at plasma-basert akselerasjon vil kunne gi direkte anvendelser i samfunnet.

Ser vi derimot tilbake på historien i høyenergifysikk, så kan nettopp denne typen grunnleggende teknologiutvikling få stor nytteverdi for samfunnet, kanskje også nye anvendelser som ingen enda har forutsett.

  • Vil du lese mer spennende vitenskapsstoff skrevet av forskere? Følg Aftenposten Viten på FacebookogTwitter!
  1. Les også

    CERN: Villdyret har våknet!

  2. Les også

    Dødelig stråling, muskelsvinn og hjerteproblemer

Relevante artikler

  1. A-MAGASINET

    Partikkelfysikkens popstjerne svarer på de store spørsmålene

  2. VITEN

    Ny kreftbehandling til Norge i 2023: Slik virker protonstråling.

  3. VITEN

    «Er fysikerne intellektuelle bedragere?»

  4. VITEN

    Store klimafordeler ved skifte til fornybar energi

  5. VITEN

    Gasshydrater kan være klimabombe: 20 ganger kraftigere klimagass enn CO2

  6. VITEN

    Kristian Gundersen i Uviten: - Moralsk og faglig samrøre av Thomas Hylland Eriksen