Man skulle kanskje tro at ATLAS ved CERN skal fange noe stort.

Den er tross alt 25 meter høy og 46 meter lang og veier svimlende 7.000 tonn. Det gjør den til den største detektoren i verden.

En detektor er et instrument som kan finne eller registrere noe, men det ATLAS skal finne, er ikke stort. Tvert imot.

Den gigantiske maskinen skal finne subatomiske partikler. Altså det aller minste vi vet om.

Midt inne i ATLAS’ buk skal forskerne krasje sammen protoner – partiklene som finnes i kjernen av atomer. Da skjer nemlig noe ganske fantastisk: Når protoner kolliderer i nær lysets hastighet, blir energien deres omdannet til en skur av nye partikler.

Og i denne skuren av partikler kan forskerne finne helt ny informasjon om hva verden egentlig er bygd opp av og om spillereglene som styrer alt rundt oss.

Det var nettopp ATLAS som i sin tid var med på å finne den sagnomsuste Higgspartikkelen.

Spørsmålet er imidlertid:

Hvis forskerne skal finne noe så lite, hvorfor trenger de da en detektor som er så stor?

Spesielle partikler

Svaret er myoner.

Ut av kollisjonene midt inne i ATLAS spruter altså skurer av partikler: Nøytroner, elektroner, fotoner og andre fnugg som de færreste har hørt om.

Flesteparten av disse partiklene blir raskt absorbert av de såkalte kalorimetrene som ligger innerst i detektoren. Det er slik maskinen måler energien til disse partiklene.

Mønsteret av ulike partikler med forskjellig mengde energi og elektrisk ladning forteller forskerne hva som skjedde i kollisjonen.

I løpet av bare et par meter har de aller fleste typer partikler gitt fra seg all energien sin og blitt borte.

Men ikke myonene.

Lar seg ikke stoppe

Myonene ligner elektroner – en av de aller minste byggesteinene i universet.

Men de er mye, mye tyngre. Dette gjør at myonene, i motsetning til mange andre av verdens byggesteiner, bryr seg lite med stoffet rundt seg. De kan flå igjennom metervis av jern uten å la seg stoppe.

Det betyr at de bare suser rett igjennom kalorimetrene innerst i ATLAS.

Dersom detektoren bare hadde hatt kalorimetrene, ville vi ikke ant noe om myonene som ble til i krasjet. Dermed ville bildet av kollisjonen vært langt fra komplett.

For å fange helheten, slik at vi kan forstå hvordan partiklene virker, må myonene med.

Og da trengs det spesialutstyr. Stort spesialutstyr.

Store og små hjul

– Både de store hjulene og de små hjulene detekterer myoner, roper forsker Rachel Avramidou over det kontinuerlige brølet fra utallige pumper og vifter og andre mekaniske deler i det enorme maskineriet.

Hun har jobbet her ved CERN i over 20 år og var i sin tid vitne til at kjempeinstrumentet ATLAS ble bygd.

Nå peker hun på et av de store hjulene – en 25 meter høy skive som tårner seg opp foran oss. Hadde den vært ei boligblokk, ville den raget minst åtte etasjer i været.

De små hjulene er neimen ikke småtterier, de heller. Diameteren er ti meter.

Alex Tuna, postdoktor ved CERN, peker et av dem ut bak stillaset som forskerne bruker når de skal gjøre de siste justeringene før maskineriet starter for alvor.

Tuna er en av mange forskere som har vært med på å bygge en helt ny utgave av de to små hjulene i ATLAS. Det siste av dem ble senket ned i bakken og satt på plass for bare noen uker siden.

Nå forklarer han og Avramidou hvordan de virker.

Der bare myoner drar

Myonene fra kollisjonen midt i ATLAS fyker først igjennom flere ulike kalorimetre sammen med de andre partiklene. Her stopper elektroner, nøytroner og andre partikler etter tur. Men myonene fortsetter utover.

Når du kommer langt nok ut fra kollisjonen, har detektoren absorbert alt annet enn myoner. (Og noen ørsmå spøkelsespartikler ved navn nøytrinoer, men de er en annen historie som må fortelles en annen gang.)

Det er her ute, langt fra den faktiske kollisjonen, at de små hjulene sitter.

Inni dem finnes tusenvis av svært følsomme sensorer som i prinsippet kan finne de fleste typer partikler.

– Men så langt fra kollisjonen er det i praksis bare myoner som kommer, forklarer Avramidou.

Dermed vet forskerne at enhver partikkel som registreres her, er et myon. De små hjulene er også lagd slik at de registrerer nøyaktig hvor myonet passerte.

Nå vet forskerne altså at myonet er der, og hvor det er på vei.

Men dette er ikke nok for å få et riktig bilde av hva som skjedde i kollisjonen. Det som er minst like viktig, er myonets bevegelsesmengde – et mål for farten og massen en ting har.

Det er her de store hjulene kommer inn. Pluss noe annet helt gigantisk.

Verdens største magnet

– Der er end-cap-toroiden, gauler Avramidou og peker.

Midt i det enorme gapet mellom de store og de små hjulene står en kjempesvær, tannhjulformet dings på oransje stillasbein.

Når forskerne skrur på strømmen, er den i stand til å lage et helt usannsynlig sterkt magnetfelt. Det samme er tønne-toroiden, som består av digre rørformede rektangler, som strekker seg tvers igjennom ATLAS.

ATLAS’ tønne-toroid veier 830 tonn og er faktisk verdens største elektromagnet.

Alt dette vanvittige magnet-utstyret er her av én grunn:

Nemlig at myoner tilfeldigvis har elektromagnetisk ladning.

Bøyer baner

Det at myonet har elektromagnetisk ladning, betyr at et myon som suser igjennom et sterkt magnetfelt, ikke vil gå rett fram. I stedet vil magnetkraften bøye banen til myonet litt til siden.

Akkurat hvor mye myonets bane bøyer av, kommer an på hvor stort bevegelsesmengde den har. Logisk nok: Jo mindre masse og fart partikkelen har, jo mer vil magnetkreftene klare å svinge den av. Dette bruker forskerne.

Myonene som har passert det lille hjulet, blir nå altså bøyd av på vei igjennom magnetfeltet, før det treffer det store hjulet – som også er proppfullt av myon-detektorer.

Nå vet forskerne altså treffpunktet i begge hjulene. Ut fra dette kan de beregne både banen og bevegelsesmengden til myonet.

Og da, endelig, har detektoren skaffet nok informasjon til å si hva som skjedde i kollisjonen. Altså bildet de trenger for å kunne oppdage alt fra nye egenskaper ved kjente partikler, til helt ny fysikk, som Higgspartikkelen.

Ingeniør-mareritt

For at ATLAS skal klare oppgaven sin, må den altså være gigantisk, men samtidig følsom og presis ned til mikrometernivå.

Et mareritt av en ingeniør-oppgave, med andre ord.

Utstyret maskinen er bygd opp av er en blanding av hyllevare fra industrien og spesialkonstruerte instrumenter og deler som ikke finnes noen andre steder.

– Dette er et samarbeid mellom mange universiteter som lager hver sine deler som så settes sammen til en detektor, forteller Vilde Flognfeldt Rieker fra Universitetet i Oslo, som akkurat har startet på doktorgraden sin ved CERN.

Mye av teknologien – som de store hjulene – har stått her siden ATLAS var ferdig i 2008.

Meningen er at de skal virke i 15 til 20 år til, med noen oppgraderinger av systemene.

Test og trippeltest

Alt i ATLAS er konstruert for å vare. Hver eneste lille del er testet, dobbelttestet og trippeltestet, forklarer Avramidou.

Det kan Tuna bekrefte. I de siste årene har han og hundrevis av andre forskere jobbet med de nye små hjulene.

Siden slutten av 2018 har det vært en planlagt stans i aktiviteten i LHC, den enorme, sirkelformede akseleratoren som får fart på protonene som skal krasje i ATLAS. LHC blir oppgradert, slik at den snart vil gi ti ganger flere kollisjoner per sekund i detektoren.

De gamle små hjulene ville ikke taklet en slik mengde.

Skrekkslagen

Tuna har vært med på hele prosessen med å designe, bygge og teste deler av disse nye små hjulene. Lenge jobbet han med utstyret i laboratoriet på overflata.

Men nylig ble det siste hjulet altså satt på plass i ATLAS. Nå er det betydelig vanskeligere å komme til for å fikse ting som ikke virker. Og snart, utpå nyåret, må alt fungere. Da lukkes detektoren for at driften skal kunne starte, og ingenting kan endres på lange tider.

Utstyret skal da være testet ekstremt nøye.

Men kan en slik enorm haug med teknologi virkelig fungere perfekt?

– Definitivt ikke, sier Tuna.

– Det er mange ting som blir ødelagt. Men et av prinsippene i designet er at det alltid skal være mange deler som gjør det samme. Da vil man ikke merke det om en individuell del blir ødelagt.

Likevel er det ikke fritt for at forskerne blir litt nervøse når siste frist nærmer seg.

– Jeg er skrekkslagen, spøker Tuna.

Men lite tyder på at dette skremmer ham fra mer mekking på detektorer i rekordklasse.

– Jeg har jobbet med både software og hardware, men jeg tror jeg foretrekker hardware, sier han.

– Det er mye vanskeligere, og det er det som begrenser eksperimentene mest.

Grunnforskningen innen fysikk er svært avhengig av at noen faktisk klarer å bygge utstyret som skal til for å gjøre denne typen eksperimenter. Men ikke mange har en slik fagkunnskap innen hardware og elektronikk.

– Det appellerer til meg å bidra til den ekspertisen.