Berlingske Tidende, Univers, den 2. november 1999

Usikkerhed og valg

BENNY LAUTRUP
NIELS BOHR INSTITUTET


Når der den 1. maj år 2000 tændes for den nye Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) på Brookhaven National Laboratory i staten New York, vil der i korte øjeblikke skabes betingelser, der er sammenlignelige med universets tilstand en hundrededel sekund efter Big Bang.

Tunge atomkerner af metallet guld bringes i frontalt sammenstød, og i et kort øjeblik vil der dannes en klump stof med en temperatur på mere end tusind milliarder grader, en lille ildkugle, der eksisterer måske 100 gange længere, end det tager de to atomkerner at passere hinanden.

Den sædvanlige beskrivelse af kernestoffet som bestående af protoner og neutroner gælder ikke for ildkuglen. Temperaturen er så høj, at protoner og neutroner ``smelter'' og frigør de partikler, de ellers ubrydeligt er sammensat af ved lavere temperaturer. Der dannes derved en helt ny stoftilstand, et plasma, bestående af kvarker og gluoner, som er de partikler, der normalt binder kvarkerne sammen.

Verden over imødeses åbningen af den nye accelerator med spænding. De fleste håber på at se et signal fra dannelsen af et kvark/gluon-plasma, men der hersker stor uenighed blandt teoretikerne om, hvilke fænomener, der vil ledsage overgangen til plasmafasen.

I det sidste år er der fra forskellig side rejst et spørgsmål, som mere lyder som science fiction end seriøs videnskab. Spørgsmålet drejer sig om, hvad der præcist kan ske i den forventede faseovergang.

Kort fortalt er der en vis nervøsitet for, at der kan måske kan skabes en sær stoftilstand (eng. strange matter), som er stabil og i stand til at ``smitte'' almindeligt stof og omdanne det til den sære tilstand. Bekymringerne går især på, at en sådan proces kunne føre til at hele jordkloden omdannes og ender med at have en diameter på blot et par hundrede meter.

Det ville jo ikke være så godt.

Selv om de fleste anser det for at være en teoretisk umulighed, tages problemet ganske alvorligt, hvilket bevidnes af, at direktøren for Brookhaven National Laboratory, John Marburger, har bedt en prominent videnskabelig komite om at forsøge at vurdere risikoen for, at dette scenario kunne blive realiseret. Komiteens rapport kom i slutningen af september og nogenlunde samtidigt kom der en rapport med en uafhængig vurdering fra accelerator-laboratoriet CERN i Genève, hvor man om nogle få år vil producere sammenstød mellem blykerner med 30 gange højere energi.

Samstemmende konkluderer de to rapporter, at risikoen er overordentlig lille. Så lille, at man selv med den allermest forsigtige vurdering vil kunne benytte RHIC i mindst fem millioner år uden at producere en eneste af de ``smittefarlige'' partikler. Det lyder jo godt, når RHIC højst forventes at være i operation i omkring ti år.

Lignende situationer har optrådt tidligere i historien. Da den først atombombe skulle sprænges i luften, bekymrede de ansvarlige sig faktisk om, en kædereaktion kunne forplante sig til atmosfæren og ødelægge den. Der har også været lignende bekymringer, hver gang nye kraftige acceleratorer er blevet taget i brug, for eksempel om der kunne dannes små sorte huller, eller om vakuum kunne eksplodere. Hver gang har de ansvarlige vurderet risikoen og som nu konkluderet, at der intet er at frygte.

Det nye er, at diskussionen i modsætning til tidligere foregår i fuld åbenhed. Argumenterne lægges frem, bearbejdes, forfines og når forhåbentlig til sidst til en acceptabel konklusion. Man kunne ønske, at alle videnskaber ville gå ind med samme intensitet og åbenhed i diskussionen af de faremomenter, der kan forekomme i deres virksomhed.

For at forstå det sære stofs natur er det nødvendigt at gå lidt mere ind i kvarkernes egenskaber. I protoner og neutroner forekommer der kun op og ned kvarker, som er henholdsvis positivt og negativt elektrisk ladede. Betegnelserne op og ned refererer til en anden slags ladning, kaldet smag (eng. flavor). I protonen er der to op og en ned, medens neutronen har en op og to ned.

I højenergetiske sammenstød, som de, der vil finde sted i den nye accelerator, kan der dannes kvarker med andre slags smag. Specielt er man interesseret i muligheden for at danne kvarker med såkaldt sær (eng. strange) smag og negativ elektrisk ladning. I sammenstødet vil disse kvarker altid produceres parvis sammen med deres antipartikler

Det dommedags-scenario, som de mest bekymrede forestiller sig, kan kun forløbe under en række teoretiske antagelser, der hver for sig er meget tvivlsomme, og tilsammen fører til en kraftig teoretisk afvisning af scenarioet.

Først og fremmest er det nødvendigt, at der i plasmaet dannes et antal sære kvarker. Dernæst må det antages, at der findes en så stærk tiltrækning mellem disse, at de sammen med op og ned kvarkerne er i stand til at danne en lille stabil partikel, en slags atomkerne, af sært stof.

Endvidere er det nødvendigt at antage, at en sådan partikel fortrinsvis vil optræde med negativ elektrisk ladning, således at vil kunne tiltrække og smelte sammen med almindelige atomkerner, der jo er positivt ladede.

Ved denne sammensmeltning bliver den sære partikel positivt ladet, så det må nu antages, at den søger tilbage mod den optimale negative ladningstilstand gennem en række beta-henfald, hvorunder en op kvark omdannes til en sær kvark.

På denne måde kan en sådan særling (eng. strangelet) fortære almindeligt stof og vokse sig stor. Når den er blevet større end et atom og vejer en milliard-del gram, vil den falde ned mod jorden og undervejs æde sig større af det stof, den møder. Til sidst sætter den sig mageligt til rette i jordens centrum og mæsker sig, indtil den har spist hele kloden.

Hvis det sker hurtigt, vil det give anledning til en voldsom eksplosion, men det kan også gå langsommere. Hvis det tager så lang tid, at solen når at svulme op og selv fortære jorden, hvilket vil ske om fem-ti milliarder år, så kan det være ligemeget, og vi kan ubekymret lade den tage for sig af retterne.

Teoretikerne mener som sagt ikke, at dette scenario kan lade sig gøre. Selv om ingredienserne vil være til stede i sammenstødet, kan de formodentlig ikke samle sig til en sær partikel, men hvis de skulle finde på at gøre det, burde partiklen være højst ustabil. Desuden ville den nok have positiv ladning og i så fald opføre sig som en ``ordentlig'' atomkerne, der jo frastøder andre kerner. Teoretisk falder scenarioet altså til jorden på adskillige punkter.

På trods af, at de teoretiske argumenter bygger på solidt kendskab til kernestoffets natur, må det indrømmes, at teorien for de stærke kræfter i atomkernerne endnu ikke fuldstændig forstået. Ellers var det jo ikke nødvendigt at bygge RHIC. Mange ville føle sig bedre tilpas, hvis teoretiske argumenter kunne undgås, når muligheden for en så enorm ulykke diskuteres.

I de to rapporter har man derfor også forsøgt at vurdere risikoen ud fra rent empiriske data, hvilket nødvendigvis vil føre til noget mindre kategoriske udsagn om risikoen. I begge rapporter tager vurderingerne udgangspunkt i, at naturen selv har foretaget sådanne RHIC-agtige sammenstød gennem milliarder af år.

På Månen findes der for eksempel tunge atomkerner i massevis, og den kosmiske stråling indeholder også tunge atomkerner med høje energier. Ud fra kendte hyppigheder kan man så beregne, hvor mange gange sådanne sammenstød er sket på Månen i hele dens fire milliarder år lange historie. Det viser sig at være en milliard milliard gange mere end antallet af tilsvarende sammenstød i hele RHIC's levetid.

Det lyder jo godt nok som en ret stor margin, så hvis en særling ikke er blevet skabt på Månen i dens levetid -- og det ved vi jo, fordi Månen er der endnu -- så vil det sikkert heller ikke ske på RHIC.

Desværre er der en lille fejl i argumentet. Fejlen er, at Månen ligger stille, når den bliver ramt af de kosmiske stråler, medens sammenstødene i RHIC er rent frontale med samme hastighed på de to guldkerner. På Månen vil en nyfødt særling have stor hastighed og hurtigt støde ind i en anden atomkerne, hvorefter den med stor sandsynlighed går i hundrede stykker.

Der findes endnu ikke nogen beregning af, hvor lille sandsynligheden er for, at den overlever sammenstød efter sammenstød og derved bremses ned. Hvis det sker, vil særlingen kunne falde til hvile og søge ind mod Månens centrum, hvor den så kan mæske sig.

Men da vi stadig har Månen på himlen, kan det altså ikke være sket i de sidste fire milliarder år. Når engang disse sandsynligheder beregnes, vil man igen kunne bruge Måne-argumentet til at sætte en øvre grænse for risikoen.

Naturen laver også andre eksperimenter. De tunge atomkerner i den kosmiske stråling støder en gang imellem frontalt ind i hinanden og nogle gange har de den samme høje energi. Disse processer er derfor identiske med, hvad der sker i RHIC, og da universet er stort, vil det forhåbentlig give en god vurdering af risikoen.

For at vurdere den er man blandt andet nødt til at vide, hvor mange stjerner, der på en eller anden måde har slugt en særling og er blevet omdannet til sære stjerner, der i lighed med neutronstjerner blot har en diameter på nogle få kilometer. Antages det, at omdannelsen ligner en neutronstjernes fødsel -- hvilket sker i en supernova eksplosion, som man kender hyppigheden af -- kan man finde en øvre grænse for risikoen.

Ved i øvrigt at lave worst-case antagelser hele vejen igennem, følger det, at chancen for, at RHIC i sin levetid producerer en særling, højst er 1 ud af 50 millioner, svarende til, at acceleratoren skal holdes i gang mindst 500 millioner år, førend der kan produceres en eneste.

Dette resultat hænger imidlertid på det teoretiske input, at en stjerne nødvendigvis må afslutte sin omdannelse til sært stof gennem en supernova eksplosion. Slækkes der på dette argument, bliver grænsen for risikoen omkring 100 gange større, altså højst 1 ud af 500 000, svarende til de omtalte mindst 5 millioner års operationstid for RHIC.

Her står vi så. Skal denne risiko betragtes som stor eller lille, når den skal sættes i forhold til jordens undergang? Er der overset noget vigtigt? Skal man henvise til Murphy's lov om, at hvis worst case er muligt, vil det også indtræffe?

Mange fysikere føler sig kaldet til at lave mere stringente risikoberegninger, fordi alle ville føle sig bedre tilpas, hvis beregningerne for eksempel sagde, at RHIC kunne køre løs ti milliarder år -- hele solsystemets levetid -- uden at producere en eneste særling. Det er i virkeligheden ikke mere end en faktor tyve fra den mest optimistiske af de to risikovurderinger.

Skal man så vælge at tænde for acceleratoren eller lade være? Udover at afhænge af resultatet af diskussionen i den kommende tid, vil det på grund af milliard-investeringerne i apparaturet også afhænge af politiske og økonomiske faktorer. Men valget skal gøres, inden acceleratoren står færdig til næste sommer.

Litteratur

Liberating quarks and gluons, F. Wilczek, Nature 39, 330-331 (1999)

Review of Speculative ``Disaster Scenarios'' at RHIC, W. Busza, R.L. Jaffe, J. Sandweiss, and F. Wilczek, preprint, MIT, 28. september 1999

Will relativistic heavy-ion colliders destroy our planet?, A. Dar, A. De Rújula, and U. Heinz, preprint, CERN-TH/99-324, september 1999