Takmarkið með þessari grein er að reyna útskýra með einföldum hætti hvernig hraðlar virka. Ég er að einfalda nokkuð mikið þannig að hér glatast töluverður skilningur, ég hafði það til dæmis sem markmið að nota sem minnst af tölum og formúlum. Hins vegar hvet ég ykkur til að spyrja mig bara nánar út í þetta (ég hef þó takmarkaðan skilning á skammtafræði, þótt ég kunni ýmislegt fyrir mér :), það er auðveldara að svara spurningum en að skrifa grein og vera sífellt að hugsa út í það hversu mikið ég þarf að útskýra og hvað ég ætti að taka fyrir. SPYRJIÐ ENDILEGA!

Í dag er málum svo háttað, að heimurinn er tvískiptur í augum vísindamanna. Við höfum tvær gjörólíkar kenningar til þess að lýsa heiminum, annars vegar á stórsæjum skala með afstæðiskenningunni og hins vegar á smásæjum skala með skammtafræðinni. Þessar kenningar hefur enn sem komið er reynst ómögulegt að tvinna saman.

Stórsæja heiminum, sem við tilheyrum ásamt reikistjörnum og vetrarbrautum, má lýsa nokkuð vel með klassískri eðlisfræði enn þann dag í dag. Við þurfum ekki almennu afstæðiskenninguna fyrr en við erum farinn að fást við mikinn hraða (nærri hraða ljóss). Þennan heim getum við rannsakað með eigin augum og sjónaukum.

Smásæja heiminum, sem atóm og smærri eindir tilheyra, þarf að lýsa með skammtafræðinni sem byggist fyrst og fremst á líkindareikningi. Þetta er nokkuð merkilegt og það tekur töluverðan tíma að átta sig fyllega á því hvað þetta hefur í för með sér – frekari útskýring verður því að bíða. Þennan heim gátum við ekki rannsakað almennilega fyrr en á 20. öldinni með tækjum sem kallast hraðlar, en þeir samsvara sjónaukum fyrir hinn smásæja heim.

Í stuttu og einfölduðu máli mætti segja að við notum hraðla til þess að kljúfa atóm. Þannig var það allavega í fyrstu, að menn létu atóm skella á efni á gríðarlegum hraða til þess kljúfa þau í smærri parta. Þetta breyttist þó þegar fram liðu stundir og ég vík að því síðar. Fyrst væri eðlilegast að kunngera eðli atóma og þeirra einda sem þau eru gerð úr.

Öreindir
Atóm eru agnarsmá, það er í raun ómögulegt að átta sig almennilega á því hversu smá þau eru. Við getum þó notast við myndmál til þess að reyna átta okkur betur á því hversu lítil atóm eru. Richard Feynman, nóbelsverðlaunahafi í skammtafræði, notaði gjarnan eftirfarandi dæmi: ef við stækkum epli og öll atóm þess í réttum hlutföllum þannig að eplið verði jafn stórt og jörðin, væri hvert atóm í eplinu álíka stórt og hefðbundið epli. Ef við ætlum að notast við tölur getum við borið saman stærð atóma og sólarinnar. Radíus stærri atóma er í kringum 10^(-10) metrar og radíus sólar er u.þ.b. 10^9 metrar. Það er erfitt að skilja hvora stærð um sig.

Atóm eru gerð úr þremur eindum sem kallast: Nifteindir, róteindir og rafeindir. Nifteindin er frábrugðin hinum tveimur að því leiti að hún hefur enga rafhleðslu (ástæðan fyrir því kemur brátt í ljós), hún er jafnframt þyngst þeirra þriggja. Róteindin ásamt nifteindinni myndar kjarna atómsins, hún hefur jákvæða hleðslu. Utan um kjarnann sveimar svo rafeindin sem hefur neikvæða hleðslu, hún er margfalt minni og léttari en hinar tvær. Hún er auk þess sú eina sem ekki er úr smærri eindum – hér kannski réttara að setja einn varnagla, við vitum raunar ekki hvort hún er samsett úr smærri eindum og það er afar erfitt að komast að því.

Nifteindirnar og róteindirnar samanstanda af öreindum sem kallast kvarkar. Tvær mismunandi bragðtegundir (já, þetta er vísindalega hugtakið) af kvörkum, sem kallast upp og niður, þarf til að mynda hefðbundna nifteind eða róteind. Upp-kvarkar hafa hleðsluna +2/3 á meðan niður-kvarkar hafa hleðsluna -1/3. (Hér er átt við brot af grunnhleðslunni sem miðast við hleðslu rafeindar). En það vill svo til að það þarf þrjá kvarka til að mynda róteindir og nifteindir. Róteindin er búinn til úr tveimur upp-kvörkum og einum niður-kvark: 2/3+2/3-1/3=+1. Nifteindin er búinn til úr tveimur niður-kvörkum og einum upp-kvark: 2/3-1/3-1/3=0. Læt frekari útskýringar á spunatölum o.fl. liggja milli hluta í bili.

Það eru til miklu fleiri öreindir, eins og áður sagði er rafeindin ein slík. Flestir þekkja líka aðra til, nefnilega ljóseindina, en hún er af öðrum toga. Kvarkarnir og eindirnar sem þeir mynda saman kallast fermíeindir. Ofan á þetta allt saman á hver öreind sér tvíbura eða andeind, sem hefur einfaldlega öfuga hleðslu við það sem við eigum að venjast. Andeindirnar mynda svo, eins og glöggir hafa áttað sig á, andefni. Við getum til einföldunar hugsað okkur sem svo að fermíeindir myndi efnið sem er í kringum okkur.

Ljóseindin tilheyrir hins vegar öðrum flokki einda sem kallast bóseindir – þeir sem hafa eitthvað lesið sér til um LHC vita væntanlega að annað verkefni tilraunastofunnar í CERN er að finna svokallaða Higgs-bóseind, ég kem að því aftur síðar. Við getum hugsað okkur að bóseindir beri orku á milli fermíeinda, þær valda líka þeim kröftum sem halda öllu saman. Límeindin heldur saman atómkjarnanum, en það er einnig talað einfaldlega um sterka kjarnakraftinn. Þyngdareindin ber í sama skilningi þyngdaraflið (þessi eind hefur ekki enn fundist en það er gjarnan gert ráð fyrir því að hún sé til).

En þá er spurning, hvernig vitum við þetta allt saman?

Þokuhylki
Ég geri ráð fyrir að flestir viti nokkurn veginn hvernig atóm er saman sett. En til þess að skilja hvernig hraðlar virka er best að útskýra hvernig þokuhylki virka.
Fyrst ber þess að geta, að þegar hlaðin eind ferðast í gegnum gas skilur hún eftir sig ummerki þar sem hún jónar umhverfi sitt. Til þess að sjá hvar eindir eru á ferð þurfum við því einfaldlega skynjara sem getur séð slóðina sem jónin skilur eftir sig í gasinu.

Þokuhylki (heitið útskýrist bráðlega) eru eiginlegir forverar þeirra hraðla sem við sjáum í dag. Sama hugmynd er notuð til þess að komast að því hvaða eindir eru á ferðinni hverju sinni. Allavega, þokuhylki eru loftþétt hylki sem fyllt eru af gasi (eða vökva og kallast þá bóluhylki, en það er aukaatriði). Á hylkinu er bulla sem hægt er að ýta inn í hylkið til þess að hækka eða lækka þrýstingin í því. Gasið, í þessu tilfelli vatnsgufa, er hitað þar til það er við suðumark og síðan er bullan dreginn út. Þegar þetta gerist kólnar vatnsgufan snarlega og myndar þoku. Þegar hlaðnar jónir ferðast í gegnum þokuna skilja þær eftir sig jónaslóð (eins og í Star Trek þar sem menn eru alltaf að elta jónaslóðir :). Með því að lýsa upp þokuna og taka mynd getum við rannsakað jónaslóðina og hún segir okkur ýmislegt um eindina sem var þar á ferð.

Þar sem jónir hafa hleðslu getum við haft áhrif á þær með seglum. Ef við búum til segulsvið í þokuhylkinu sveigist jónin af leið. Hvert hún sveigist segir okkur hver hleðsla eindarinnar er, enda vitum við allt um segulsviðið þar sem við bjuggum það til. Til dæmis væri eind sem sveigist rangsælis kannski jákvætt hlaðin og eind sem sveigist réttsælis neikvætt hlaðin, það er náttúrlega háð segulsviðinu. Radíus kúrfunar segir okkur svo hver skriðkraftur eindarinnar er. Þeir sem hafa lært svo litla eðlisfræði vita hvert þetta leiðir, ef við þekkjum hraðan líka getum við fundið út hver massi eindarinnar er! Þetta er að sjálfsögðu bara gert með því að „taka fleiri myndir“ með föstu millibili. Nú þegar við vitum þetta allt saman höfum við nægar upplýsingar til að ákvarða hverslags eind um er að ræða.

Það sem ég var nú að lýsa hafið þið sjálfsagt séð á einhverjum myndum á vefsíðu LHC. Allskonar spíralar í öllum litum. Hér er dæmi.

Stóreindahraðallinn
Nú er komið að sjálfum stóreindahraðlinum, Large Hadron Collider. Ég reyndi að útskýra með einföldum hætti hér að ofan hverjar helstu eindirnar eru og hvernig við getum þekkt þær.

Stóreind eða hadron eins og hún heitir á ensku er einfaldlega eins og orðið gefur til kynna stór eind. Nifteindir og róteindir eru dæmi um slíkar eindir. Þær eiga það sameiginlegt að vera haldið saman af sterka kjarnakraftinum svokallaða, alveg eins og atómum er haldið saman af rafsegulkraftinum.

Skynjararnir í LHC virka eins og ég lýsti að ofan, það er tekinn hellingur af myndum sem sýna brautir eindanna og af þeim má sjá hvaða eind er á ferð hverju sinni. Þessi hraðall virkar hins vegar ekki þannig að eindum er skotið á vegg, heldur eru þær látnar ferðast í hringi og rekast saman. Auk þess er mun meiri orka notuð til þess að koma eindunum á ferð. Fyrir þessu eru nokkrar ástæður, fyrst og fremst er takmarkið að geta séð minni eindir ef svo má segja, í það þarf meiri orku.

Stóreindahraðallinn sjálfur er hluti af risastórri rannsóknarstofnun sem heitir CERN sem er á landamærum Sviss og Frakklands, ekki að það skipti öllu máli. Hraðallinn sjálfur gerir lítið annað en að koma eindunum á mikla ferð, en til þess hefur hann nokkurs konar byssur sem skjóta eindunum á stað. Þetta er hins vegar nær því að vera haglabyssa en riffill. Í hraðlinum eru margar eindir á ferð í einu og þeim er hraðað og stýrt með mjög öflugum seglum. Síðan eru fjögur stór tæki á mismunandi stöðum þar sem hægt er að láta eindirnar rekast saman og taka mynd af því sem gerist. Hvert tæki sinnir ákveðnum tilgangi. Þeirra stærst er ATLAS, síðan ber að nefna CMS, ALICE og minnsta tækið sem kallað er LHCb.

Tilgangurinn með þessu öllu saman er fyrst og fremst reyna að finna hina alræmdu Higgs-bóseind. Higgs-bóseindin ber ábyrgð á því sem við köllum í daglegu tali tregðu, til einföldunar mætti segja að hlutir hafi massa vegna Higgs-bóseindarinnar. ATLAS og CMS er fyrst og fremst ætlað að finna þessa eind.

ALICE er hins vegar ætlað að líkja eftir ástandi alheimsins stuttu eftir miklahvell. Þetta er gert með því að láta blýjónir rekast saman (mikill skriðþungi!). Við þetta myndast svokallað rafgas, sem er í rauninni bara jónað gas (þ.e.a.s. rafeindirnar eru lausar frá atómkjarnanum). Talið er að heimurinn hafi á þessu stigi verið úr afar þéttu rafgasi, svo þéttu raunar að ljós komst ekki einu sinni í gegnum það (ólíkt því sem við eigum að venjast, við getum oftast lýst upp gas, t.d. séð birtu í gegnum skýin fyrir ofan okkur).

LHCb (b fyrir beauty) er af allt öðrum toga, því tæki er ætlað að útskýra af hverju það er bara efni í heimum (hljómar furðulega, en stöldrum aðeins við). Eins og ég var búinn að minnast á eiga allar fermíeindir sér tvíbura, en þá er spurning af hverju er ekki meira af andefni í heiminum? Það er reyndar eins gott að það er ekki meira af því. Þegar andefni kemst í snertingu við efni eyðast atómin, ef að heimurinn væri fullur af andefni og efni myndi það einfaldlega eyðast og lítið af efni til að byggja þann heim sem við sjáum í dag. Þess vegna er þetta afar áhugaverð spurning.

Svo eru nokkur smærri tæki sem eru flest einhvers staðar umhverfis þau stærri sem er ætlað að skoða einhverjar afgangsupplýsingar. En í stórum dráttum er þetta það sem LHC gengur út á.

Greinin er að sjálfsögðu ekki tæmandi lýsing á þessu öllu saman. Takmarkið er fyrst og fremst að útskýra hugtök sem tengjast öreindafræði og virkni hraðla. Í stað þess að útskýra þetta mikið nákvæmar væri ég frekar til í að koma af stað skynsamlegri umræðu. Spyrjið mig endilega að einhverju!

Að lokum vil ég þakka Fimbulfamb, vitring og Noproblem fyrir að hafa gefið sér tíma til að lesa yfir þessa grein áður en ég birti hana (og þeim sem gáfu sér tíma til að lesa yfir hana en ég beið ekki eftir). Þeir leiðréttu margar klaufalegar villur í textanum. Þær villur sem eftir standa, eins og von er á, eru algjörlega mínar eiginn.