Nu finslipas instrumenten

Just hemkommen från några dagars möten på Cern – det europeiska forskningscentret för partikelfysik i Genève – slår jag mig ner vid skrivbordet med listan över allt som jag måste göra så snart som möjligt. Kollegerna från Chicago har föreslagit att vi ska montera in några extra ledningar i de tre meter långa ”lådor” med elektronik som vi har byggt. Detta för att vi automatiskt ska kunna kontrollera spänningen som försörjer elektroniken. Efter tester och utredningar har vi till slut bestämt oss för hur det ska lösas, och nu ska jag beställa allt material.

Elektriska ledningar är standardutrustning. Men i vårt stora experiment måste alla ledningar av brandsäkerhetsskäl vara halogenfria, så det duger inte med vanliga ledningar överdragna med PVC-plast. Det tar därför en liten stund att hitta ett företag som säljer just det vi behöver. Denna gång en dansk leverantör.

Pionjärbygget pågår

Vi är inne i den intensiva slutfasen av ett unikt bygge – den gigantiska detektorn Atlas som ska sättas i arbete vid Cerns nya partikelaccelerator LHC, Large Hadron Collider. När den står klar, enligt planen i april 2007, kommer protoner att kollidera inuti acceleratorn med sådan fart att energin som frigörs i krocken blir den högsta i sitt slag i världen. Och då ska detektorn registrera alla nya partiklar som uppstår vid de väldiga kollisionerna. Vi ska bygga elektronik till vår del av detektorn som har till uppgift att mäta energin hos de nyalstrade partiklarna.

Atlas ser ut som en liggande jättetunna, 44 meter lång och 22 meter i diameter. Olika lager i tunnan registrerar olika egenskaper hos de nyuppståndna partiklarna. Vi från Fysikum vid Stockholms universitet är en av de 150 institutioner världen över som bidrar till detta bygge. Från Sverige deltar även grupper från Lunds och Uppsala universitet och från Kungliga Tekniska högskolan i Stockholm.

Finns Higgspartikeln?

Varför byggs LHC och Atlas? Vilken kunskap väntar vi oss att få från dessa högenergetiska protonkollisioner?

Inom partikelfysiken har det under de senaste decennierna utvecklats en teori, den så kallade standardmodellen, som mycket väl beskriver det vi i dag känner till om materiens uppbyggnad. Enligt teorin är materiens minsta beståndsdelar kvarkar och leptoner, och det finns sex av vardera slaget. De grupperas i familjer. Kvarkarna i den första familjen bygger upp protonerna och neutronerna inuti atomkärnor. Även elektroner hör till den första familjen.

Standardmodellen beskriver även de krafter som verkar i naturen, åtminstone tre av de fyra naturkrafterna. Mest noggrant beskriven är den elektromagnetiska kraften, som håller ihop atomerna. De andra två krafterna, den svaga kraften, som bland annat ansvarar för en typ radioaktivt sönderfall, och den starka kraften, som endast kvarkarna deltar i, är också väl beskrivna. Enligt modellen verkar krafterna genom ett slags ”förmedlarpartiklar”.

Överraskningar väntar

Men när det gäller den fjärde naturkraften, gravitationen, går standardmodellen bet. Gravitationen är dock så svag jämfört med de andra krafterna att den inte har någon direkt betydelse på subatomär nivå.

Den senast upptäckta kvarken är den tunga toppkvarken, som observerades i mitten av 1990-talet i en accelerator vid Fermilaboratoriet utanför Chicago. Men toppkvarken är en sällsynt partikel som kräver mycket höga energier för att skapas, och vi har därför inte kunnat detaljstudera den ännu. I LHC räcker däremot energin så bra att toppkvarken kommer att bli vardagsmat. Vi ska kunna undersöka den noga.

Vi vet alltså säkert att vi i LHC med hjälp av toppkvarken kommer att testa standardmodellen i detalj. Men det mest spännande med LHC och Atlas är ändå allt det som vi inte kan förutse.

En fråga som standardmodellen ännu inte har besvarat är var alla partiklar får sina massor ifrån. Men det finns ett förslag – Higgsmekanismen. Den förutsäger en partikel, Higgspartikeln, som ännu inte är upptäckt. Finns den, bör vi hitta den i LHC. Om den inte dyker upp betyder det troligtvis att Higgsmekanismen inte är riktig.

Finns neutralinon?

Standardmodellen beskriver på ett utmärkt sätt den materia som vi känner till och tre av de fyra krafter som förekommer i naturen. Däremot säger den inget om andra sorters materia, som den så kallade mörka materien som enligt astrofysikerna finns i rymden. Inte heller gäller standardmodellen vid ännu högre energier, som vi inte har åstadkommit än – där kan teorin ibland ge sannolikheter för reaktioner som är större än 100 procent!

Flera kandidater till alternativa teorier har föreslagits. En sådan teori är supersymmetri, susy. Finessen med susy är att den beskriver en symmetri mellan byggstenspartiklarna, kvarkar och leptoner, och partiklar som förmedlar krafter.

För att åstadkomma denna symmetri förutsäger susy att var och en av de partiklar som vi känner till har en hittills okänd supersymmetrisk partner. Dessa förmodas ha hög massa som kräver mycket höga energier, och därför har de ännu inte dykt upp i världens acceleratorer. Om susy är korrekt kommer många spännande saker att hända i vår Atlasdetektor – vi får upptäcka en helt ny uppsättning partiklar.

Om susy stämmer och om den lättaste susypartikeln, den så kallade neutralinon, är stabil så är den en kandidat till den mörka materien. Vi skulle i så fall ständigt omges av mängder av dessa tunga neutraliner, men vi upptäcker dem inte för de växelverkar knappast med något och ger sig därför inte till känna. Via LHC hoppas vi alltså få en ledtråd till den mörka materiens natur.

En annan intressant gåta som vi hoppas komma närmare en lösning på är varför det finns så mycket mer materia än antimateria i vår värld i dag. Vi tror att båda skapades i big bang i lika mängder. Någon gång i historien måste det alltså ha skett ett symmetribrott som vi inte kan förklara. Vi har sett signaler från liknande symmetribrott i våra experiment, men de har inte varit tillräckligt starka för att förklara asymmetrin i universum.

Miljarder krockar att välja bland

Atlasdetektorn består av många olika lager med olika funktioner. Vid Fysikum har vi under de senaste tio åren varit intensivt sysselsatta med att utveckla, tillverka och testa elektronik för att mäta partiklarnas energi.

Vi har också arbetat med elektronik som har till uppgift att välja ut de mest intressanta kollisionerna som ska sparas för vidare analys. När LHC kör för fullt kommer omkring en miljard partikelkollisioner att inträffa varje sekund. Vi varken kan eller vill följa dem alla, så vi räknar med att spara data för bara ett hundratal verkligt intressanta reaktioner per sekund.

Själv är jag en av de ansvariga för elektroniken som ska mäta energi. En av utmaningarna är att samma cell i detektorn med hög precision ska kunna mäta både oerhört små och extremt höga energier. För små energier måste det minsta ”energisteget” som elektroniken mäter vara litet. Å andra sidan behövs det enormt många små steg för att komma upp till de riktigt höga energierna – vi har räknat ut att för att kunna mäta båda dessa ytterligheter tillräckligt exakt behöver elektroniken ha 216, drygt 65 000 ”energisteg”.

En annan utmaning är att elektroniken måste kunna göra mätningar 40 miljoner gånger i sekunden. Så ofta inträffar nämligen kollisioner mellan buntar av protoner i acceleratorn. Och vi behöver många kollisioner för att de mycket sällsynta fenomen som vi letar efter ska inträffa. Elektronik med sådana prestanda fanns inte att tillgå i industrin, så vi fick utforma egna lösningar.

Vi började redan tidigt på 1990-talet att fundera över tänkbara utvägar. Vilket är bästa sättet att täcka det stora energispannet? Hur ska data bäst lagras innan elektroniken har valt de mest intressanta? Hur ska vi göra konstruktionen så att den klarar strålningen från alla partiklar som bildas i kollisionerna?

För varje lösning måste vi bygga en prototyp som ska anpassas till omgivande elektronik från andra institutioner i både Europa och USA. Den måste testas så att den matchar inkommande signaler och ger ifrån sig rätt signaler. Och så måste alla kretskort passa in i lådorna.

För varje ny prototyp utvecklades och förbättrades konstruktionen både av våra och de omgivande elektronikkorten. Vid slutet av 1990-talet, efter ett antal prototyptester, både i labbet och i partikelstråle på Cern, beslöt vi i samråd med kollegerna i Atlas hur lösningen skulle se ut. Vi fick en pressad tidtabell, och vår deldetektor skulle bli klar före de andra, eftersom den utgör ryggraden i Atlas.

Ovana med massproduktion

Vi blev pionjärer. Elektroniken skulle byggas i 256 likadana moduler, tre meter långa byrålådor, med sex eller åtta kretskort som i varje låda skulle samsas med all övrig elektronik. Nu återstod ”bara” att detaljtesta att allting verkligen fungerade som det skulle och att organisera produktionen och testerna av de omkring 2 000 korten.

Alla beståndsdelar på korten måste kunna ticka på i tio år. Så länge räknar vi med att Atlas kommer att samla data. Varje kretskort är utrustat med två stora hemdesignade integrerade kretsar, en specialkrets från Cern, cirka 25 andra utvalda aktiva komponenter samt ett antal kontakter.

De hemdesignade kretsarna utvecklades och tillverkades tillsammans med en svensk elektronikfirma, så där var leverantören redan vald. Men för alla de andra delarna och för tillverkningen av kretskorten gällde det att finna leverantörer. För mig var det litet ovant att plötsligt vara lika mycket produktionsadministratör som forskare.

När all upphandling var i hamn, kunde produktionskedjan sättas i gång och de färdiga korten så småningom börja levereras till Fysikum. Där vidtog detaljerade tester för att se att alla krav som Atlas ställer verkligen var uppfyllda för varje kort.

Doktorander, tekniker och anställda studenter har haft fullt upp med att utveckla, genomföra och dokumentera testerna. Alla kort som klarat testerna fick en kvalitetsstämpel och skickades vidare till en institution i Frankrike där allting monteras in i byrålådorna. Vi räknade med att hela produktionen och testerna skulle ta ett år.

Knepigt missöde

När drygt hälften av korten redan kommit i väg uppdagades ett klurigt problem. Vissa kort, som kom tillbaka från Frankrike med klagomål, fann vi först inga fel på. Vi fick stoppa produktionen och efter noggranna undersökningar såg vi störningar, fast bara ibland, vilket var extra besvärligt. Så småningom insåg vi att en av kretsarna hade ändrats mellan två versioner och nu behövde ytterligare en jordanslutning på kretskortet.

Vi försökte lösa problemet med lagningar, men det var för riskabelt med tanke på att de skulle hålla i tio år. Så vi fick bita ihop, försiktigt löda bort alla komponenter från de kort som redan var klara, göra nya kort och återanvända komponenterna. Det var en klen tröst att även andra råkade ut för liknande missöden. Många studenter fick extra tillskott i kassan genom att arbeta i vårt labb den sommaren.

Många tester kvar

Nu är vi nästan klara. En stor del av lådorna har levererats från Frankrike till Cern, monterats ihop med övrig utrustning och gått igenom ytterligare tester. I samband med ett möte på Cern i februari firade vi en viktig händelse för Atlas – delar av den första deldetektorn sänktes ner i grottan hundra meter under jordytan, där hela Atlasdetektorn ska byggas upp.

Före år 2007, då Atls ska bli färdig, kommer vår elektronik att testas många gånger till. Och naturligtvis räknar vi med att få tillbaka ett antal kretskort för reparation. Som vanligt är det kontakterna som är mest utsatta. De klarar inte alltid att tas isär och sättas ihop många gånger under testprocessen. Men om korten väl fungerar i den sammansatta modulen så hoppas vi att inget oförutsett ska inträffa.

Det känns litet högtidligt att just i år få vara först med instrument som sänks ner i Atlasgrottan. I år firar nämligen Cern, världens största laboratorium för partikelfysik, 50-årsjubileum. Under de gångna 50 åren har våra kunskaper om materien tagit stora kliv och vår världsbild utvecklats dramatiskt. Nu väntar vi med spänning på nya upptäckter som kommer med de nya apparaterna vid Cern.