Higgs-bosonen og CERN

Fysik/kemi · 10. klasse · Perspektivering

Higgs-bosonen og CERN — partikelfysikkens hjerte

CERN er verdens største partikelfysik-laboratorium. Higgs-bosonen var dets største trofæ (2012).

CERN — basisfakta

Navn: Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (European Organization for Nuclear Research)

Grundlagt: 1954 (et af Europas første store videnskabs-samarbejder efter krigen)

Placering: Genève, Schweiz (grænse til Frankrig)

Medlemmer: 23 lande (inkl. Danmark)

Ansatte: 3.500 fastansatte + 17.500 gæsteforskere fra 110 lande

Large Hadron Collider (LHC)

Verdens største maskine:

• 27 km cirkulær tunnel
• 100 m under jorden
• 9.300 superledende magneter (afkølede til -271°C, tæt på absolut nul)
• Accelererer protoner til 99,9999991% af lysets hastighed
• Energi per proton: 7 TeV (~7.000 gange dens hvilemasse)

Hvad gør man der?

Protoner accelereres i modsat retning i 2 rør og kolliderer i 4 detektorer:

1. ATLAS — generel-formål detektor (størst, 7 etagers høj)

2. CMS — generel-formål detektor

3. ALICE — undersøger kvark-gluon-plasma

4. LHCb — undersøger b-kvarker og antistof

Kollisioner skaber nye partikler. Detektorer måler hver partikel (type, impuls, energi).

Higgs-bosonen — historien

1964: Peter Higgs + 5 andre forudsiger partiklen i teoretiske papirer

Hvorfor behov?: Standardmodellen kunne ikke forklare hvorfor nogle partikler har masse (W, Z), mens andre ikke har (foton). Higgs-felt løser dette.

Analogi: Higgs-feltet er som sirup der fylder universet. Partikler der interagerer stærkt med sirup → "tunge". Partikler der ignorerer den → "masseløse".

2012 (4. juli!): CERN annoncerer opdagelse af Higgs-boson ved 125 GeV.

Nobelprisen 2013: Peter Higgs og François Englert (ikke alle 6 — Nobel-regel max 3).

Hvorfor er det vigtigt?

• Bekræfter Standardmodellen — vores bedste teori om materiens opbygning
• Løser massens oprindelse — hvordan partikler får masse
• Fundamental opdagelse på par med elektronen (1897), neutronen (1932), kvarker (1970-erne)

Andre CERN-opdagelser

Antistof:

• CERN har lavet antibrint — brint-atom med antiproton + positron
• Kan studeres kort tid før det annihilerer med normal materie

Kvarker:

• Bevist at protoner og neutroner består af kvarker
• Charm-kvarken (1974)
• W- og Z-bosoner (1983)

Internet (!):

• World Wide Web blev opfundet på CERN i 1989 af Tim Berners-Lee
• Oprindeligt til at dele forskningsdata
• CERN gav det gratis til verden i 1993
• CERN er således far til internettet — men tjente aldrig penge på det

Danmark på CERN

Niels Bohr Institut (København) har stor rolle:

• 50+ danske forskere arbejder på CERN
• Instrumenter + teori
• Bohr Institutet grundlagde partikelfysik-tradition

Hvad forsker de på nu?

Efter Higgs — åbne spørgsmål:

1. Hvad er mørkt stof?

• Supersymmetriske partikler (hypotetiske)
• Axioner

2. Hvorfor så lidt antistof?

• Symmetri-brydning i tidlig univers

3. Findes supersymmetri?

• Hver fermion har boson-partner?
• Endnu ikke fundet

4. Findes der højere dimensioner?

• Kræves af strengteori

Fremtidsplaner

LHC HL-LHC (High-Luminosity): 2029-2040

• 10x mere data
• Forbedret detektorer

FCC (Future Circular Collider): planlagt 100 km tunnel!

• 10x større energi end LHC
• Koster ~25 mia. EUR
• Måske 2045 i drift?

Der er politisk debat: nogle fysikere mener pengene er bedre brugt på andre projekter.

Hvordan kan DU se CERN?

Virtuelt:

• home.cern — masser af videoer og artikler
• CERN@Home — offentlige events

I virkeligheden:

• CERN tilbyder rundvisninger (book i god tid!)
• Sommerprogrammer for studerende
• Masterclasses for gymnasieelever

Jobs på CERN

• Forskere (fysikere, matematikere)
• Ingeniører (mekanisk, elektrisk, kryogenik)
• IT-eksperter (stort data-center)
• Administration

Ofte kræves: PhD + postdoc-erfaring. Men der er også praktikopgaver for gymnasieelever.

CERN og danske virksomheder

Danske firmaer får kontrakter på CERN:

• Haldor Topsoe (katalysatorer)
• DTU Space (instrumenter)
• Terma (elektronik)

Filmtips

• Particle Fever (2013) — dokumentar om Higgs-opdagelsen
• Angels & Demons (2009) — Dan Brown thriller ved CERN (meget fiktiv men CERN er autentisk)

Læringsmål

• Beskrive CERN og Large Hadron Colliderens opbygning
• Forklare Higgs-bosonens rolle (giver masse)
• Kende Higgs-opdagelsens tidslinje og betydning
• Nævne andre CERN-opdagelser (antistof, World Wide Web)
• Forstå aktuelle forskningsmål (mørkt stof, supersymmetri)
• Kende CERNs fremtidsplaner (HL-LHC, FCC)

Projekt: CERN virtuel tur

Tag en virtuel tur på home.cern — følg videoer af ATLAS, CMS, accelerator-komplekset. Skriv en 1-sides rapport om hvad du har lært.

Udvidet: Se "Particle Fever" (dokumentar). Beskriv de menneskelige historier bag opdagelsen.

Brobygning: Partikelfysik er ikke kernefag på STX, men kommer ind i fysik A (moderne fysik). Karriereveje: CERN-forsker kræver PhD, men ingeniører, programmører og teknikere er også mange. DTU og KU har forskere knyttet til CERN.