Om Danmark og Den Europæiske Organisation for Højenergifysik (CERN) – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

Niels Bohr Institutet > Spørg om fysik > ? om Fysik > Om Danmark og Den Euro...

21. marts 2010

Om Danmark og Den Europæiske Organisation for Højenergifysik (CERN)

Hej Spørg om Fysik
Jeg er i gang med at lave et projekt om Large Hadron Collider. Jeg har læst at det indtil videre har kostet 28 milliarder kr. at bygge LHC. Så mit spørgsmål er: Er det, det værd?

Hvis man finder Higgs partiklen, er det så værd at bruge 28 milliarder kr. på at bygge acceleratoren. Og hvad sker hvis man ikke finder den, er det så bare 16 års spildt arbejde. Og det leder mig lidt til et andet spørgsmål, hvad gør man hvis man ikke finder Higgs partiklen.

Kan i ikke prøve at forklare, meget simpelt hvad Higgs partiklen gør?

Venlig hilsen
S S

  

Om Danmark og Den Europæiske Organisation for Højenergifysik (CERN)

Hvem er med ?

Organisationen blev grundlagt i 1954 ved en traktat. Oprindeligt deltog 12 medlemslande, herunder Danmark, men siden er yderligere 8 lande kommet med. Organisationen er placeret på grænsen mellem Frankrig og Schweiz.

Den omfatter i dag 20 europæiske lande: Belgien, Bulgarien, Danmark, Finland, Frankrig, Grækenland, Holland, Italien, Norge, Polen, Portugal, Schweiz, Slovakiet, Storbritannien, Spanien, Sverige, Tjekkiet, Tyskland, Ungarn og Østrig.

Udover medlemslandene deltager U.S.A. Rusland, Japan, Canada, Indien og Israel i CERN's eksperimenter.

Medlemslandene betaler et årligt bidrag beregnet på grundlag af landets nettonationalprodukt. I 2009 betaler Danmark ca. 95 mio.kr. svarende til 1,76 % af CERN's samlede budget på ca. 5,4 mia. kr.

Hvad beskæftiger CERN sig med ?

CERN blev dannet som et fælles europæisk laboratorium til at udforske naturens mindste byggestene og de kræfter, som virker imellem dem.

CERN beskæftiger sig primært med grundvidenskabelig forskning og uddannelse af forskere, men også det praktiske udbytte har været stort. Det berømteste eksempel herpå er World Wide Web, som blev skabt på CERN, og CERN står nu i spidsen for opbygningen af den hidtil største samling af samarbejdende computere i verden ( GRID ), som skal analysere data fra de fremtidige eksperimenter.

Partikelfysikkens resultater er blevet udnyttet inden for andre områder, f.eks. medicin. Partikler bliver brugt i kræftbehandling, hvor man ved hjælp af særlige teknikker kan begrænse skadevirkningen af sædvanlig strålebehandling. Behandlingen rettes direkte mod kræftsvulsten, hvorved man udgår ødelæggelse af omkringliggende væv. Denne strålebehandling egner sig specielt mod hjernesvulster, som er vanskelige at fjerne operativt.

Sidst, men ikke mindst, spiller CERN en stor rolle i udviklingen af morgendagens højteknologi. Fra materialeforskning til databehandling stiller partikelfysikken meget store krav til den europæiske industri, hvilket gør CERN til et vigtigt afprøvningssted for udvikling af frontteknologi.

Ifølge CERN's indkøbsregler skal det billigste tilbud, som opfylder de krævede specifikationer, accepteres. Da prestigen ved at have opnået en CERN-leverance har karakter af en blåstempling, betyder dette system i praksis, at tilbudsgiverne langtfra altid kan regne med en egentlig økonomisk fortjeneste.

Billedet et stiliseret event-display af en (simuleret) af proton-proton kollision i ATLAS, hvori der skabes et sort hul. Et sådant ville udmærke sig ved demokratisk at henfalde til alle de elementarpartikler, som findes, og det er sporene af disse der ses på billedet.

Hvordan arbejder CERN ?

CERN's værktøjer er partikelacceleratorer og detektorer, som er blandt verdens største og mest komplekse videnskabelige instrumenter.

Ved at accelerere partikler til meget høje energier tæt på lysets hastighed og lade dem støde med atomare mål eller mod hinanden, kan fysikerne afdække de kræfter, der virker mellem og i dem.

Der findes to typer acceleratorer, de liniære og de cirkulære, og CERN har begge slags.

Det er detektorernes opgave at registrere, hvad der sker ved sammenstødene mellem partiklerne. De detektorer, der anvendes ved cirkulære acceleratorer, er opbygget som cylindriske kæmpeløg på størrelse med fler-etages ejendomme fyldt op med avanceret elektronik.

Acceleratorerne ligger i underjordiske tunneler under Jurabjergene på den fransk-schweiziske grænse. Den første accelerator indviedes i 1957 og blev få år efter fulgt op af den 630 meter lange PS-Proton-Synchroton. I 1976 kunne CERN indvie acceleratorringen SPS-Super-Proton Synchrotronen, som er 7 km. i omkreds, og som ligger 40 meter nede i undergrunden.

Med fysikkens stadige fremskridt voksede behovet for stærkere acceleratorer, og i 1989 indviedes Large Elektron Positron Collideren ( LEP ).

LEP, som var verdens største af sin art, fungerede indtil slutningen af år 2000, hvor man begyndte demonteringen i tunnelen for at skaffe plads til sidste skud på stammen, Large Hadron Collideren ( LHC ).

 

Large Hadron Collideren (LHC )

LHC blev vedtaget af medlemslandene i 1994 og taget i brug i efteråret 2009. Samlet har den kostet ca. 32 mia. kr. (selve acceleratoren, CERN's bidrag til detektorerne og til LHC computing ). LHC forventes at være i brug de næste 20 år.

Med LHC er CERN det førende partikelfysiklaboratorium i verden med omkring 9000 brugere fra hele verden, som vil deltage i de eksperimenter, som er tilknyttet acceleratoren.

Hvad skal LHC bruges til ?

Den forskningsmæssige baggrund for projektet bygger videre på de resultater, der er opnået ved LEP. Disse resultater består i en detailleret bekræftelse af den såkaldte Standardmodel, som teoretisk beskriver, hvad der skete ved verdens skabelse.

Standardmodellen har klaret sig mod eksperimentel afprøvning gennem de sidste 20 år, men der er klare indikationer for, at modellen er ufuldstændig. Den lader mange fundamentale spørgsmål ubesvarede, som feks. hvorfor Universets materie synes at være helt domineret af et mystisk "mørkt stof".

For at besvare disse spørgsmål og komme videre, har det været nødvendigt at komme op i et højere energiområde end det, der kunne opnås med LEP. Forskerne håber at finde svarene i det energiområde, som kan opnås med LHC.

LHC har bl.a. til opgave at finde og udforske en bestemt partikel, Higgs-bosonen. Higgs-bosonen er en teoretisk nødvendighed. Hvis den ikke findes, falder den forståelse, fysikerne har i dag, sammen, og der skal tænkes helt nyt.

En anden konsekvens af Standardmodellen er den måde, som "Big Bang" beskrives på. Ca. et mikrosekund efter "Big Bang", da Universet havde en radius på ca. 300 meter, ændrede stoffet sig til en suppe af kvarker og gluoner sig til en suppe med større boller ( protoner, neutroner og mesoner ), som er byggestene for den verden, vi lever i, hvor mesonerne bombarderer os hver dag i den kosmiske stråling.

Denne overgang fra en suppe til en anden skal have fundet sted, og er en teoretisk nødvendighed på samme måde som Higgs-bosonen, men er ikke eksperimentelt bevist endnu.

Dette håber, man vil ske med LHC.

GRID

LHC kommer til at producere hidtil usete mængder data. Disse kommer fra eksperimenterne, men også fra modelstudier af eksperimenternes virkemåde og af mulige fysiske reaktioner, som kan observeres ved LHC.

Ikke kun højenergifysikken oplever en eksplosion i mængden af data i disse år. Andre fysikere, kemikere, biologer, samfundsforskere og humanister, producerer og behandler langt større datamængder end tidligere.

Udviklingen af nye metoder er derfor blevet et verdensomspændende projekt. Formålet er at skabe globale netværk, hvor lagring og behandling af data kan foregå overalt på kloden, uden at brugeren skal beskæftige sig med hvor data, processorkraft eller brugeren selv befinder sig. Software, tæt forbundet med selve netværket, sørger for ressourceoptimeringen, dvs. om det kan betale sig at flytte data til processen eller processen til data. En tæt integration af geografisk adskilte computersystemer giver mulighed for, at hardware-, software-og personressourcer udnyttes langt bedre.

En række problemer skal løses, før et større system, opbygget af meget forskellige computere med divergerende styresystemer og udstyr, kan tages i brug. De centrale nøgleord for projektet er distribueret datalagning og distribueret processorkraft, servicekvalitet, sikkerhed, hastighed, tilgængelighed, komponentkompabilitet og ressourceanvendelse.

Projektet har fået navnet GRID.

På europæisk plan har CERN været lokomotivet, som satte hele udviklingen i gang ved at formulere og støtte et EU støttet projekt, DataGrid. Udover højenergifysik, deltager forskere fra rumforskningen, biologien og jordobservation.

Fra dansk side deltager medarbejdere fra Niels Bohr Instituttet i DataGrid-projektet, som en del af LHC-eksperimentet, ATLAS.

Forskere fra Niels Bohr Instituttet spiller derudover en koordinerende rolle for danske og fælles nordiske GRID aktiviteter.

Supercomputergruppen ved Københavns Universitet udvikler et nyt område, benævnt "GRID computing", som er opstået i kølvandet på behovet for massive computerberegninger i forbindelse med data fra LHC. Ideen er, at et netværk af kraftige computercentre udfører en given opgave der, hvor den løses mest effektivt og på en måde, som er gennemsigtig for brugeren.

Flere slagkraftige centre er oprettet ved KU, SDU og AUC.

 

Danmarks videnskabelige engagement

Forskningsrådet for Natur og Univers (tidligere Statens naturvidenskabelige Forskningsråd) tilsluttede sig i 1994 dansk deltagelse i Large Hadron Collideren.

Rådet støtter løbende dansk deltagelse i udnyttelsen af CERN gennem en 4-årig centerbevilling (NICE-centret ) på 48 mio.kr. Derudover er givet en bevilling på 20 mio.kr. til detektoropbygning i ATLAS-eksperimentet. Fra andre fonde blev der opnået en bevilling på 5 mio. kr. til detektoropbygning i ALICE- eksperimentet.

Omkring 9000 forskere fra hele verden deltager i CERNs eksperimenter og danske forskere har været med i front af partikelfysikken.

Siden oprettelsen i 1954 har mange grupper af danske forskere benyttet CERN's faciliteter til udforskning af forskellige aspekter af materiens fundamentale natur. Bredden i udnyttelsen af CERN er speciel for Danmark. Den spænder fra den mindste af alle længdeskalaer ( ATLAS eksperimentet ved LHC ) over den typiske skala for stærke vekselvirkninger på en femtometer ( ALICE eksperimentet ved LHC ), atomkernens skala ( ISOLDE-eksperimenter ), den atomare skala  (eksperimenter ved AD og SPS med bl.a. antibrint ), den makromolekylære skala ( biokemiske eksperimenter ved ISOLDE ) til millimeter skalaen ( cancer terapi med antiprotoner ). Et andet usædvanligt træk ved sammensætningen af den danske CERN indsats er det meget stærke islæt af teoretisk forskning.

CERN-grupperne har følgende sammensætning:

  • Teori-gruppen ved Aarhus Universitet ( 2 lektorer, 1 postdoc., 10 PhD.-studerende) Fokus er på partikel-astrofysik.
  • Atomfysik-gruppen ved Aarhus Universitet ( 4 lektorer, 1 postdoc., 3 PhD.- studerende ) Gruppen udfører flere eksperimenter ved CERNs antiproton decelerator, der går ud på at eftersøge forskelle på almindelig brint og anti-brint ). Hertil kommer udvikling af cancer-terapi med antiprotoner-en udvikling, som er ved at gå over i den kliniske fase-og et nyt eksperiment, der skal kaste lys over et gammelt mysterium, kaldet "Kleins paradoks", hvor antipartikler igen spiller hovedrollen.
  • Kernefysik-gruppen ved Aarhus Universitet ( 2 lektorer, 3 PhD.-studerende ) Gruppen udfører kernefysiske eksperimenter ved CERN's ISOLDE facilitet både med henblik på en bedre forståelse at atomkernens fysik og på astrofysiske anvendelser.
  • ATLAS-gruppen ved Københavns Universitet (6 professorer og lektorer, 4 postdocs., 6 Ph.D-studerende.) Gruppen deltager i ATLAS-eksperimentet ved LHC. Målet er at finde den afgørende brik i "Standardmodellen" oprindelsen af elementarpartiklernes masse, og at række ud over Standardmodellen for at forlige det "sorte stof", som dominerer universet, med elementarpartiklernes fysik. I personaletallet er inkluderet nye ansættelser, som kommer i 2010 som et resultat af oprettelsen af et nyt center under Danmarks Grundforskningsfond med et budget på 40 mio. kr. over 5 år.
  • ALICE-gruppen ved Københavns Universitet ( 3 professorer og lektorer, 2 postdocs., 5 Ph.D.-studerende.) Gruppen deltager i ALICE-eksperimentet ved LHC, der, i stedet for at studere proton-proton sammenstød, fokuserer på kollisioner af tunge atomkerne. Herved skabes en tilstand af varmt tæt kernestof, i lighed med forholdene i det første mikrosekund af Universet.
  • Teorigruppen ved Københavns Universitet (5 professorer og lektorer, 6 postdocs., 4 Ph.d.-studerende.) Gruppen udfører teoretisk forskning i emner, der spænder fra den direkte tolkning af resultater fra CERN eksperimenter over kosmologi til kvantegravitation og strengteori.
  • Den bio-inorganiske gruppe ved Københavns Universitet -LIFE/FARMA/NAT. ( 5 lektorer og 5 Ph.D.-studerende ) Denne nye brugergruppe benytter sig af ISOLDE faciliteten til at studere metal-ioner i de novo designede bioproteiner, bl.a. for at forstå toxiditet.
  • Teorigruppen ved Syddansk Universitet ( 2 lektorer, 6 opstdocs., 6 Ph.D.-studerende). Gruppen fokuserer på udvidelser af Standard Modellen og deres konsekvenser for de fænomener, der vil kunne måles ved f.eks. ATLAS-eksperimentet. Også her er personaletallet inklusive nye ansættelser fra 2010 fra en bevilling fra Danmarks Grundforskningsfond på 40 mio. kr. over 5 år.

 

Danmarks industrielle engagement

Medlemskabet af CERN giver mulighed for at få industri- og servicekontrakter.

Som hovedregel gælder, at CERN-kontrakter går til den, der byder lavest, om end der gælder visse reguleringsmekanismer i indkøbsreglerne, som skal sikre en fordeling af kontraktmassen på medlemsstaterne.

Specielt med servicekontrakter har Danmark i en årrække stået meget stærkt med firmaer som ISS og Intertec Contracting. I perioden 2005-2008 var returkoefficienten 1,19 (target: 0.4 ).

Inden for teknologisk udvikling og industrikontrakter har danske virksomheder muligheder inden for en række områder såsom højspændingskabler, elektronik   (bygning af mikrocomputere, høj-og lavspændingsudstyr, trykte kredsløb, datanetværk ), software/konsulentvirksomhed, byggeindustrien og mekanisk industri (forarbejdning af stål og plast, composite materialer).

En længere række danske virksomheder har gennem årene levet til CERN, eksempelvis Danfysik A/S, Mark & Wedell, Printca, og Kvistgaard Maskinfabrik.

I perioden 2005-2008 var returkoefficienten 0,9 (target : 0.92 ).

Med venlig hilsen
Peter Hansen