Maskinen som återskapar universums födelse

Vid jordytan är det inte mycket som tyder på att något spektakulärt pågår under Savojens åkrar, på gränsen mellan Frankrike och Schweiz. Den enda ledtråden är den ovanligt stora mängden högspänningskablar och anhopningen av massiva aluminiumskjul, vart och ett stort som en flyghangar.
Men det är bara toppen av ett isberg. Under marken byggs 2000-talets största­ och mest komplexa civila ­maskin av en armada av fysiker, ingenjörer, inspektörer, svetsare, elektriker och flera andra yrkesgrupper. Det är Large Hadron Collider, Stora hadronkollideraren på svenska, en partikelaccelerator så kraftfull att den kommer kunna återskapa tillståndet vid universums födelse, och förhoppningsvis svara på några av den moderna naturvetenskapens mest grundläggande frågor.

27 kilometer lång
Large Hadron Collider, LHC, är Cerns idé. År 2007, om allt går som det är tänkt, ska tvillingstrålar av protoner, en medsols och en motsols, skickas runt en cirkulär 27 kilometer lång tunnel tills de når hastigheter nära ljusets. Strålarna träffar varandra vid fyra experiment längs med tunneln. Vid kollisionen skapas energimängder som inte setts sedan den första tiomiljarddels sekunden efter Big Bang, Stora smällen, när universums diameter bara var en centimeter. Faktum är att vissa forskare på Cern hänvisar till dessa kollisioner som Little Bang, Lilla smällen.
Det kommer ske 800 miljoner kollisioner varje sekund. Dessa sliter sönder protonerna varvid en skur av subatomiska partiklar släpps lös, partiklar som detekteras i något av LHC:s fyra experiment. Av alla dessa kollisioner förväntar man sig bara att några få ger oss några nya insikter.

Hitta Higgspartikeln
Vad ska då alla dessa kollisioner vara bra för? Bland annat hoppas man hitta den gäckande Higgspartikeln som man tror bär på massa. Det är ett av universums mysterier: varför har några partiklar, till exempel protoner och neutroner, massor tusentals gånger högre än elektronen, medan andra, till exempel de ljusbärande fotonerna, inte har någon massa alls? Många fysiker tror att partiklar kan få massa genom att ”äta” en speciell slags partikel som kallas för Higgsbosonen. De teorier om universum som bygger på denna märkliga idé verkar fungera bra, men själva Higgsbosonen har hittills vägrat visa sig. LHC:s enorma energimängder skulle mycket väl kunna upptäcka Higgs och därmed lösa detta långvariga mysterium.
Förhoppningsvis kommer LHC att svara på några av den moderna naturvetenskapens nyckelfrågor. En del av svaren har en koppling till Higgsbosonen. Varifrån kommer materia? Varför har saker en massa över huvud taget? Vad är ursprunget till de krafter som håller ihop universum? Varför består universum av materia snarare än antimateria? Efter tusentals år av filosofiska spekulationer har LHC potentialen att ge forskarna hårda fakta. Genom att det tillstånd som man tror rådde i det mycket tidiga universum återskapas är LHC en slags tidsmaskin. För första gången kan forskare pröva sina teorier om händelser som skedde bara några ögonblick efter Big Bang för 15 miljarder år sedan. Och det innebär att återskapa de oerhörda temperaturerna i det tidiga universum: 10 miljoner miljarder grader Celsius.

Sprängkraft
För att kunna skapa dessa förhållanden måste LHC vara tio gånger kraftfullare än dagens acceleratorer. Den måste också skapa energier motsvarande 120 kilo TNT i var och en av de två protonstrålarna, vilka bara är några millimeter i diameter. Med andra ord, LHC-strålarna kommer vara riktiga dödsstrålar. I teorin kan de borra ett hål genom 30 meter solid koppar, men i praktiken kommer de idiotsäkra säkerhetsåtgärderna helt enkelt stänga av dem om något går fel.
En sådan maskin har aldrig byggts förut. LHC:s skapare har därför behövt vara innovativa; runt acceleratorn finns mycket nytänkande och många problem har lösts. Tanken är att använda de acceleratorer som redan finns vid Cern. Där kickstartas hopar med 100 miljarder protoner, innan de skjuts in i den 27 kilometer långa huvudtunneln. Där accelereras de ännu mer och styrs av ungefär 6 000 magneter gjorda av supraledande ledningar, vilka kan föra mycket högre strömmar än vanliga ledare, exempelvis som koppar. På så sätt dubbleras acceleratorns magnetfält. Men denna höga effekt har ett pris: supraledning fungerar bara om ledningen är rejält nedkyld. LHC:s magneter behöver vara så kalla som 1,9 grader Kelvin, lägre än temperaturen i den interstellära rymden. Därför skapades en ledning som transporterar supraflytande helium in i magneterna, så mycket att Cern faktiskt behövde handla med försiktighet för att inte störa världsmarknaden för helium.
Detta löste ett problem men skapade ett annat. Av kostnadsskäl bestämdes det att tunneln som ursprungligen byggdes för LEP, LHC:s föregångare, skulle återanvändas. Men tunneln är trång, smalare än en tunnelbane­tunnel, vilket visat sig problematiskt.


Hopplöst trångt
Det finns helt enkelt inte plats för två uppsättningar magneter för att styra de två protonstrålarna. Istället färdas de längs samma magnet i skilda rör bara 40 centimeter ifrån varandra. Det möjliggjorde för magneterna att få plats i tunneln, men gjorde deras design mycket mer komplicerad än den för tidigare acceleratorer. Lägg till heliumledningen, som löper längs med magneterna, så får du en trång tunnel och en logistisk mardröm:
–Att arbeta i en så trång tunnel är svårt, eftersom så många delar måste vara på rätt plats. Vi har 27 kilometer tunnel med tusen och åter tusen delar av utrustning. När det blir fel på en del måste vi montera ner den i tunneln, reparera den och sätta tillbaka den. Och vad du än gör så blockerar det tunneln, säger Robert Aymar, ­ chefen vid Cern.
Enligt honom var det största problemet inne i tunneln heliumledningen. När delar av röret redan var monterat upptäckte ingenjörerna att mer än 200 sektioner hade inre defekter som tillverkningsföretaget missat.
–Vi installerade fabriker inne i tunneln för att montera ner rören och reparera dem. Eftersom varje del är 15 meter lång och väger åtskilliga ton var det ingen enkel sak. Vi har även haft svårigheter med magnettransportörerna. Dessa maskiner hade testats i månader utan problem. Men nu behövde de dra 40 ton. Alldeles för ofta får de problem. Och varje gång det händer, händer det mitt i natten. Vi kan bara komma in till magneterna vid en enda punkt, så du måste gå 13 kilometer till den andra sidan och tillbaka. Så om det är något problem med transportörerna har du kört fast. Och du sitter fast under hela nästa dag, säger Aymar.

60 länder inblandade
Enligt Richard Jacobsson, staff physicist vid LHCb-experimentet, är LHC det största internationella samarbetet någonsin vid ett enskilt projekt. Mer än 60 länder är inblandade: pakistanier arbetar bredvid indier, ryssar bredvid amerikaner. För många av dem innebär arbetet tolvtimmarsskift, ibland på natten, ofta på helger. Jacobsson själv har bara tagit två veckors ledigt på ett år.
Även om Cern självt står för det mesta av infrastrukturen, till exempel tunneln, byggs och betalas de fyra experimenten av hundratals forskningscentra världen över. Enbart i ATLAS är 2 000 fysiker inblandade. Ingen kan säga exakt, men enligt vissa uppskattningar har över 800 000 människor lagt sin hand vid LHC, från forskare till maskinister.
Längs med LHC finns alltså fyra experiment, som förhoppningsvis ska ge svar på stora frågor. Ordet ”experiment” skapar ofta en inre bild av forskare vid en labbänk. Men vid Cern, där det för övrigt inte är ovanligt att stå bakom en nobelpristagare i kaffekön, befinner sig allting på en annan skala.

Jättelik grotta
Hundra meter under staden Cessy har en grotta stor nog att rymma en katedral skapats, varvid 250 000 kubikmeter sten och jord tagits bort. Det ska rymma CMS, det största av experimenten, ett 12 500-tons åbäke skapat av lika mycket järn som Eiffeltornet, mässing som smälts ned från gamla ryska stridsskeppsskal, nästan 80 000 bly-wolframkristaller, över 23 miljoner kiseldetektorelement och är den största solenoidmagneten som någonsin byggts. CMS är faktiskt så stor att den har konstruerats i 2 000-tonssektioner ovanför marken, vilka var för sig sänks ner 100 meter av en varvskran, den enda utrustning som klarar en sådan vikt. När CMS är i gång kommer den generera data som motsvarar 10 000 uppsättningar av Encyclopaedia Britannica, varje sekund. Och det är bara en del av LHC.
Men även CMS-experimentet har haft stora problem. Återigen var det tillverkaren som inte uppfyllde kraven. Det ryska företag som står för de tusentals viktiga blytungstatskristallerna motsvarade inte förväntningarna.
–Kristallernas kvalitet var det inga problem med, men industrins kapacitet att tillverka dem var mycket låg. Jag var tvungen att gå in i förhandlingar med ryska regeringen för att lösa det. Nu är det löst, tror jag. Och de två lock som stänger CMS-systemet kommer inte vara tillgängliga förrän i slutet av 2007 eller 2008. Så en del av detektorn kommer saknas. Men det går att börja med en detektor som inte är helt komplett och färdigställa den efter att första experimentet körts. För acceleratorn är situationen en annan, för att den ska fungera måste varenda bult vara på plats, säger Aymar.

Ny chef
När Aymar, en fransk fysiker, tog på sig posten som chef för Cern år 2004 blev han ansvarig för att slutföra LHC på utsatt tid och inom given budget. Eftersom tidsschemat hade slirat med två år och budgeten överskridits med flera hundra miljoner schweizerfranc, antog Aymar en utmaning, milt sagt.
Men Aymars bakgrund gjorde honom till en uppenbar kandidat. Även om han till skillnad från några av sina föregångare inte var en känd person, till exempel hade Carlo Rubbia redan fått nobelpriset i fysik innan han tillträdde posten, hade Aymar imponerande erfarenheter av att leda stora fysikprojekt. Han hade övervakat konstruktionen av Frankrikes Tore Supraprojekt, en experimentell försöksanläggning för fusionsreaktorer. Sedan förde han den internationella fusionsreaktorprototypen ITER, som överhopats av politiska gräl, till en punkt där de deltagande nationerna kom överens om att bygga den. Aymars rykte grundades faktiskt lika mycket på hans ledaregenskaper, speciellt för ITER, som på han kunskaper i fysik, särskilt supraledning som är en av hörnpelarna i dessa gigantiska och dyrbara projekt. Och han hade varit inblandad i designen av LHC sedan starten.
– Jag är en av LHC:s gudfäder. När LHC tävlade med SSC hade vi inte en chans att konkurrera med USA om vi inte kunde använda den existerande LEP-tunneln och även uppnå högre prestanda. Mitt förslag var att använda supraflytande helium för att kyla magneterna. Då kunde man dubblera magnetfältet, säger han.
Aymar, som nu är 68 år, är en lättillgänglig man med ett naturligt leende, men han har inget tålamod med dumbommar, enligt kollegor vid Cern. Och man bör inte göra honom arg.

Största projektet
LHC är det största projektet sedan Cern grundades för 50 år sedan, LHC mer eller mindre är Cern. Aymar har vidtagit radikala åtgärder för att projektet ska vara klart år 2007: de flesta av Cerns finansiella resurser har gått till LHC, människor har förflyttats från andra projekt, experiment har avslutats, Cerns två äldsta acceleratorer har tagits ur bruk för reparation. Till och med rutinmässigt underhåll har offrats. Stora delar av Cern ser slitet ut, och kontorsfönster har faktiskt ramlat ur.
Men Aymar är övertygad om att LHC inte har några större tekniska problem, och är redo att sätta igång under 2007.
– Maskinen kommer fungera. Jag tror att vi har löst de tekniska problemen. Nu är utmaningen att hålla sig till schemat. Vi gör allt som står i vår makt för att vara klara på utsatt datum. Det är bra människor som arbetar på Cern. Cern är verkligen ett bra exempel på att människor med olika ursprung kan arbeta ihop. I det hänseendet är detta det bästa exemplet jag känner till. Här finns alla nationaliteter och alla religioner som arbetar ihop. Det är roligt. Jag gillar det jag gör.