Milstolpar från Cern

2024 fyller det europeiska partikelfysiklaboratoriet Cern (Conseil européen pour la recherche nucléaire) i Schweiz 70 år. För att visa några olika sidor av Cerns betydelse genom åren listar vi ett urval av viktiga uppfinningar och företeelser. Som bonus tar vi upp ett exempel som ofta nämns, men där Cern kanske inte kan få hela äran.

De första partikelfysikexperimenten använde detektorer som gjorde partikelspår synliga genom dimma, bubblor eller gnistor. Spåren fotograferades och bilderna analyserades för hand. I slutet av 1960-talet rörde det sig om miljontals fotografier per år och det började bli svårhanterligt.

Strax innan fysikern Georges Charpak kom till Cern hade han uppfunnit ett sätt att bygga en helt elektronisk detektor som kallas trådkammare (eller med ett längre ord flertrådsproportionalkammare). När en partikel med hög energi passerar genom trådkammardetektorn ger den elektriska signaler som kan läsas ut och ge information om partikelns energi och var den passerade. På Cern utvecklades uppfinningen till ett helt nytt sätt att göra partikelfysik. Detektorn har också fått användning inom medicinsk avbildning och i andra fält.

Georges Charpak belönades med Nobelpriset i fysik 1992 för sin detektor.

Många forskare inom kärn- och partikelfysik, plasmafysik, astropartikelfysik och relaterade fält, världen över, använder sig av mjukvara från Cern. Från 1980-talet använde många ett dataanalyspaket som kallas Paw (Physics analysis workstation), som kan hantera och visualisera stora mängder data. Gradvis har det ersatts med ett paket som heter Root, byggt med ett modernare programmeringsspråk.

När fysiker analyserar data jämför de också med simuleringar av hur olika partikelhändelser ser ut i experimentets instrument. För att göra sådana simuleringar används ofta simuleringsplattformen Geant, som också utvecklas och underhålls vid Cern.

Den allra mest kända uppfinningen från Cern är webben. Det var när Tim Berners-Lee hjälpte forskare vid Cern att dela information som han uppfann ett system för att sätta upp ett nätverk av dokument med hyperlänkar. Han kallade systemet World wide web. Den första webbplatsen sattes upp i slutet av 1990, och inte långt senare började han dela med sig av webben till omvärlden. Uppfinningen gjorde internet tillgängligt för fler än de allra mest intresserade.

Partikelacceleratorer används både till cancerterapi och för att tillverka kortlivade medicinska isotoper. Detektorteknik som har utvecklats för partikelfysiken kommer också till användning i medicinen. Det finns alltså gott om möjligheter att expertis från experimentell partikelfysik kommer till nytta för att utveckla medicinsk teknik. Här är ett par exempel.

Acceleratorteknik för strålningsterapi: Flera olika samarbeten vid Cern har bidragit till utvecklingen av nya acceleratorer för användning i cancerbehandling. Protoner och andra tyngre joner avsätter det mesta av sin energi i ett begränsat område, vilket anses fördelaktigt för att kunna få maximal effekt på en tumör och minimera skadorna på omgivande vävnad. Acceleratorer för medicinskt bruk behöver inte vara så stora, men däremot behöver de kunna ge partikelstrålar med olika energier. Forskning och utveckling av sådana anläggningar pågår sedan flera decennier vid Cern.

PET-avbildning: Under 1970-talet arbetade forskare vid Cern med att förbättra tekniken för positronemissionstomografi, PET. Ett preparat märks med små mängder av en isotop som kan sönderfalla och avge en positron – elektronens antipartikel. Positronen stöter ihop med elektroner i omgivningen och ger upphov till motriktade gammapartiklar, som passerar genom omgivande vävnader och fångas upp utanför kroppen. På så sätt blir det möjligt att följa preparatet genom kroppen.

Några av de första PET-bilderna skapades på Cern 1977 med hjälp av en förbättrad detektor som byggde på Georges Charpaks trådkammare.

Pixeldetektor: En annan typ av partikeldetektor som har betydelse för medicinska avbildningar bygger på kiselchips. En typ av kiseldetektor som utvecklades på 1990-talet för de inre delarna av fysikexperiment har vidareutvecklats i ett stort samarbete med centrum vid Cern, som kallas Medipix. De är snabba och kan användas för noggranna tidsmätningar, och är också riktigt bra på att mäta energin i den joniserande strålning som passerar genom dem.

En viktig tillämpning är i röntgenavbildning i medicinska sammanhang, men också för biologi och materialanalys. Pixeldetektorer har också kommit till användning för strålningsmätning i rymden.

När acceleratorn SPS körde igång 1976 fanns det pekskärmar i kontrollrummet. Skärmarna hade inbyggda sensorområden som fungerade som knappar, och gränssnittet visade text på knapparna som beskrev vad de just då användes till. Tekniken plockades upp och användes vid flera laboratorier.

Detta lär vara den första praktiska tillämpningen för pekskärmar som fungerar genom skärmens kapacitans (förmåga att lagra laddning). Kapacitiva pekskärmar är de vanligaste i mobiltelefoner i dag. Det finns dock inte något rakt spår av utveckling från kontrollrummen på Cern till dagens skärmar. I stället har liknande teknik uppfunnits flera gånger. Cern var en föregångare, men pekskärmarna vi använder till vardags kan egentligen inte härledas till uppfinningen i kontrollrummet för SPS.

Av de cirka 3 600 personer jobbar på plats vid Cern är fysikerna i minoritet. Det behövs mycket teknisk personal för att sköta acceleratorer och system, och dessutom administratörer, städare och så vidare. Ytter­ligare över 13 000 personer är anknutna till Cern, till exempel genom utbyten och utbildning eller genom att vara med i forskargrupper som arbetar med Cern-experiment, och bland dem är fysiker fullständigt dominerande. Dessutom uppger Cern att de ger guidade visningar till 150 000 besökare per år.

En viktig roll för Cern är att höja människors kompetens.

– Tänk på att bara en tredjedel av dem som doktorerar vid Cern stannar i forskningssektorn. De övriga två tredjedelarna går till industrin i olika delar av samhället, säger Luciano Musa, som arbetar med firandet av Cerns 70-årsjubileum.

Fysiker som har jobbat med stora datamängder har kunskaper som kan komma till nytta i näringslivet. Många av dem har använt maskininlärning, och det är en väldigt efterfrågad kompetens just nu när så kallade AI-tillämpningar sprids till allt fler områden.

Klicka här för att läsa mer om Cern: Cern – 70 år med fysiklabbet.