Fysik og computere

Benny Lautrup
Niels Bohr Institutet

Gigantisk videnskab

Til at begynde med, og et godt stykke ind i dette århundrede, var fysikken kendetegnet ved enkeltpersoners arbejde. Teori og eksperiment gik hånd i hånd og udførtes ofte af samme person. Men under og efter Anden Verdenskrig blev fysikken industrialiseret. Eksperimenter kunne ikke længere udføres af enkeltpersoner på et selvfinancieret budget, men måtte involvere større organisationer eller hele lande og deres regeringer. Denne udvikling har fortsat og er nu nået til et punkt, hvor størrelsen af de videnskabelige grupper, der arbejder på et enkelt problem, lang overstiger antallet af folketingsmedlemmer. Og alligevel ser der ud til at komme spændende, entydige og ikke tidligere kendte resultater frem. Et af de seneste resultater - som en gruppe på `kun' 379 fysikere har publiceret - er, at der kun findes tre slags neutrinoer.
I efteråret 1989 begyndte man at gøre forsøg med den nye europæiske partikelaccelerator, LEP, i Genève. Denne accelerator er i sig selv en formidabel maskine: cirkulær med en diameter på 9 kilometer og en omkreds på 27; uden tvivl verdens største maskine. I denne maskine kan man få elektroner og deres antipartikler, positroner, til at støde sammen med stor kraft.
I sammenstødet tilintetgøres begge partikler og en `klump' ren energi bliver derved koncentreret inden for et meget lille område. Denne energi observeres derefter under mange forskellige former. Den kan for eksempel igen omdannes til en elektron og en positron, men den kan også blive til en neutrino og en anti-neutrino eller en kvark og en anti-kvark. Neutrinoen har i modsætning til elektronen ikke nogen elektrisk ladning og har meget lille masse, om den overhovedet har nogen masse. Kvarken er en grundlæggende komponent i de partikler, der ligger inden i atomkernerne. Kvarker har den meget mærkelige egenskab, at de ikke kan komme ud af kernepartiklerne, men for evigt holdes fangne. Ikke desto mindre kan man observere dem, så at sige i forsøget på at slippe ud. Yderligere kompliceres sammenstødet ved, at der forekommer flere forskellige typer elektroner, neutrinoer og kvarker.
Den lille `klump' energi er for det meste ret ustruktureret. Men når partiklerne støder sammen med en ganske bestemt kraft, optræder energiklumpen et kort øjeblik som en partikel, der kaldes Z0. LEP-acceleratoren er faktisk i høj grad blevet bygget for at studere netop denne kortlivede partikels egenskaber. Det lettes af, at elektronens og positronens chance for at ramme hinanden er titusinde gange større, når energiklumpen optræder som en Z0, end når den ikke gør det. Man sigter faktisk mod at producere én Z0 i sekundet med denne maskine. Endnu går det dog lidt langsommere.
Som underlag for disse eksperimenter har man en teori, der med god ret kan betragtes som dette århundredes videnskabelige svendestykke inden for fysikken. Teorien kaldes passende for Standardmodellen og er en teori, der omfatter alt stof og alle kræfter, undtagen tyngdekraften. Standardmodellen siger blandt andet, at partiklerne kommer i familier. Den første familie er den, som alt normalt stof består af. Dennes families medlemmer er den normale elektron, den tilsvarende neutrino og to typer kvarker. Det vides, at der er mindst to familier mere, som optræder, når stoffet påvirkes kraftigt - som i LEP-acceleratoren. Hver af disse familier ligner den første med en elektron-agtig, en neutrino-agtig og to kvark-agtige medlemmer.
Et af de åbne spørgsmål er, om der er flere end tre familier. Eksperimentet med de 379 forfatternavne - heraf 10 danske - på den offentliggjorte artikel viser, at det er der åbenbart ikke. For det er nemlig sådan, at neutrinoerne, som formodes at have meget lille masse, alle bidrager til sandsynligheden for at Z0 partiklen henfalder. Så derfor kan man bestemme antallet af neutrinoer ved at lave en præcis måling af sandsynligheden for henfald. Og svaret blev, at antallet af familier er 3,27 plus eller minus 0,30. Dette bekræftes i øvrigt også af et forsøg ved en ny amerikansk accelerator, hvor resultatet er blevet offentliggjort i en artikel med bare 128 forfatternavne.
Men hvad betydning har det nu, at stoffet i alle dets tilstande, kan betragtes som sammensat af tre familier, hver med fire typer partikler. I kosmologien, som beskrives af en anden Standardmodel - kaldet Big Bang, vil tre familier bedst kunne forklare den i dag observerede mængde Helium. Så på det punkt er man ret glad for resultatet. Men astrofysikken har andre regnestykker, som ikke går op, og hvor en fjerde familie, specielt en fjerde neutrino, ville gøre underværker. Når man ser på galakserne, viser det sig, at de opfører sig, som om de er ti gange tungere, end man kan gøre rede for ved at tælle stjernerne i dem og andet lysende eller strålende stof. Der må være ti gange mere stof, der ikke udsender elektromagnetisk stråling, end det der gør det. Det er et af astrofysikkens store ubesvarede spørgsmål.
Hvad består dette sorte stof af? Mange forklaringer har været forsøgt, men ingen er endnu overbevisende. En af forklaringerne er, at det skyldes lette neutrinoer, som bindes til galakserne, fordi disse er så enorme, medens de ikke kan bindes til stjerner. De tre kendte neutrinoer er ikke tilstrækkelige til at forklare den manglende masse. En fjerde ville derimod have været helt fin. Men det er altså nu så godt som udelukket.
Gigantisk videnskab arbejder med et utal af forskere på verdens største maskiner for at sige noget om Universets mindste bestanddele. Og når resultaterne kommer ind, har de betydning for en teori, der allerede er veletableret for alt sædvanligt stof, for Universets skabelse eller for eksotiske astrofysiske spørgsmål. Hvorfor gør vi det? Velsagtens fordi det kan lade sig gøre, og fordi det angår de inderste spørgsmål i dette Univers. Finder vi ud af, hvad der er indeni stoffet, ved vi også, hvad er er inden i os selv. Eller?