Artikler. 32 Påviser ukjente partikler. 16 Finner ursuppen etter Big Bang. 26 Moderne kreftbehandling? gjenskaper Big Bang

Transkript

1 LEDER] INNHOLD]Apollon fysikk 2010 Fysikkens vidunderlige verden Fysikk er en av grunnpilarene til naturvitenskapene. Fysikken beskriver naturens lover og fenomener. Beskrivelsene må være så gode at vi kan forutsi egenskapene til observerbare fenomener gjennom hele spekteret fra kvarker til biologiske prosesser og astronomiske hendelser. Fysikk er derfor også en nødvendig verktøykasse for en rekke andre fag, som biologi, medisin, informatikk, materialteknologi, geologi, meteorologi og ingeniørfag. I teoretisk fysikk fins det fortsatt en rekke uløste, fundamentale problemer. Klarer vi å løse dem, kan vi komme et stort skritt videre i vår forståelse av verden. Dette er viktig grunnforskning. Fysikk er likeledes viktig for å løse verdenssamfunnets akutte problemer og behov. Det er en del av vårt samfunnsansvar. Denne spesialutgaven av Apollon, som består av en rekke artikler fra tidligere Apollon-utgivelser, har dette hovedmålet: Vi vil vise fysikkens tilstedeværelse og ofte svært sentrale rolle innen de fleste moderne, naturvitenskapelige forskningsaktiviteter. Det kan være alt 32 fra medisin til klima- og energiforskning, fra nanoteknologi til satellittnavigasjon og fra partikkelfysikk til astro- og kosmologisk fysikk. Vi ønsker å nå fram til unge mennesker med dette mangfoldet: Ved å bli fysiker kan du aktivt bidra til å forvalte fremtiden og skape en bedre og bærekraftig verden. Gjennom å presentere dette mangfoldet i fysikk vil vi også nå ut til allmennheten og snu oppmerksomheten fra myter om gale professorer til å vise at fysikere er samfunnsbevisste og ansvarlige forskere. Med denne utgaven ønsker vi dessuten å formidle til våre bevilgende myndigheter at det lønner seg å satse. Når forholdene legges til rette, hevder norske fysikere seg i verdenstoppen. God lesing! 58 Gigantisk luftfontene 44 RADIOAKTIV LEVETID 34 Selvmotsigelsen i lys Artikler 4 Landets beste fysikkforskning Løser verdens store problemer 6 Knekker resistente kreftceller Ultralav stråling over flere uker 32 Påviser ukjente partikler 10 Automatisk helsebrikke 26 Moderne kreftbehandling 26 Moderne kreftbehandling? Sverige: Ja! Norge: Nei! 30 Skyter atomkjerner på svulster Mindre skader på det friske vevet 16 Finner ursuppen etter Big Bang 42 Verdensledende undervisning Avanserte simuleringer fra dag én 46 Forkorter radioaktiv levetid Atomkollisjoner på Blindern 8 Strålebehandling følger pusten Færre skader på friskt vev 32 Ny oppdagelse i Einstein-klasse Ukjente partikler påvist etter 30 år 48 Sprøytespiss med elektrisk øye Skjelner mellom fettvev, muskler og blodårer 10 Helautomatisk helsebrikke Sykdomssvar på to minutter 34 Utfordrer Bohr og Einstein Aksepterer ikke selvmotsigelsen i lys 52 Henter kulde fra verdensrommet Kan kjøle ned hus Einar Sagstuen Instituttleder 12 Tre ganger mer effektive solceller Splitter lyspartikler i to 38 Portrett: Lysmesteren Johan Moan Forskningsprisen Fremtidens bensin Hydrogen i metallpulver gjenskaper Big Bang APOLLON/Fysisk institutt UTGIVER: Fysisk institutt og forskningsmagasinet Apollon, Universitetet i Oslo ISSN Opplag 4000 KOLOFON 15 TESTER SOLCELLENE I U-LAND Unikt laboratorium 16 Big Bang på CERN Skal finne ursuppen 56 Uten turbulens sulter fiskelarver Kan påvirke torskebestanden 58 Jorda mister 300 tonn oksygen i døgnet Gigantisk luftfontene ved Svalbard Redaksjon: Hilde Lynnebakken og Yngve Vogt hilde.lynnebakken@fys.uio.no yngve.vogt@admin.uio.no Fysikere bak supernettverk Bedre enn World Wide Web 61 Tredobler vekten med ett slag På sporet av nye fysiske lover Grafisk design: Hanne Utigard Forside: Hanne Utigard Produksjonskonsulent: Alv Reidar Dale Trykk: 07 Gruppen Adresse: Fysisk institutt, Postboks 1048 Blindern, 0316 Oslo Oslo, høsten Rakettoppskytning løser nordlysgåten Bedrer flynavigasjonen 24 Studenter skyter opp satellitt Skal varsle romvær 62 Gransker luftmønstre i pulver Jakter på lovmessigheter 64 Forskernes viktigste støttespillere Holder orden på roterommet 24 Raskere enn NASA!

2 TEMA]Aldring Professor Anders Malthe-Sørenssen: Fysikk gir deg muligheten til å se bak naturens mønstre og prosesser, innsikten til å oppdage og forstå sammenhengene, og verktøyene til å løse menneskehetens viktigste utfordringer. Førsteamanuensis Anette Eleonora Gunnæs: Energi er et sentralt begrep innen fysikken. Vårt energiforbruk på jorden øker stadig, og vi kan ikke basere oss på forbrenning av fossilt brensel i fremtiden. Kunnskap i fysikk bidrar til utvikling av ny teknologi for effektiv energihøsting av fornybare energikilder. Professor Alex Read: I tillegg til å kunne avsløre naturens innerste hemmeligheter, er det tilfredsstillende å vite at fysikk driver innovasjon som forbedrer livskvaliteten vår. Ikke bare det, det er rett og slett gøy å jobbe i et fagfelt der nye ideer og verktøy oppfunnet for å løse vanskelige fysikkspørsmål noen ganger får eget liv og egen betydning eksempelvis www, som ble laget ved CERN. Uten de beste kunnskaper i fysikk er det umulig å løse de store klima- og energiproblemene som verden står overfor, sier professor Einar Sagstuen. Han leder landets største og fremste forskningsinstitusjon i fysikk. Landets beste fysikkforskning Bachelorstudent i fysikk Jørgen Eriksson Midtbø: Fysikk er læren om det mest grunnleggende i naturen. Hvordan krefter virker mellom elementærpartikler, som setter seg sammen til atomer, som danner levende ting og stjerner og planeter og hele universet. Alt er fysikk, og derfor er fysikk så uendelig kult. Masterstudent i fysikk Elvira Mulyukova: Å lære fysikk er som å utvikle en ny sans; i tillegg til å se, høre og kjenne, lærer man å forstå. Det tillater å begripe makten og det store ansvaret mennesket har overfor naturen. Som resultat får man lyst, motivasjon og kunnskap til å ta vare på den. Professor Eli Olaug Hole: Det er spennende og utfordrende å lære mest mulig om hvordan naturen fungerer på detaljnivå. Hva kan vi forutsi? Hva er sannsynlig og ikke sannsynlig? Og hvilke mekanismer gjør for eksempel at stråling kan indusere, kurere og kanskje også beskytte mot kreft? TeksT: Yngve Vogt og Hilde Lynnebakken FOTO: Francesco Saggio De største utfordringene i samfunnet er helse, miljø og energi. Vi vil med dette spesialnummeret om fysikk vise verden rundt oss at det ikke er mulig å løse disse problemene uten å ha tilgang til de beste forskningsbaserte kunnskapene i fysikk, forteller instituttleder Einar Sagstuen på Fysisk institutt ved Universitetet i Oslo. Bedre helse Fysikk spiller en stadig viktigere rolle i kreftbehandling. I universitetets største EU-prosjekt gjennom tidene, med over hundre millioner kroner i potten, undersøker biofysikere hvordan kreftceller kan drepes med ultrasmå stråledoser. I samarbeid med intervensjonssenteret på Rikshospitalet har en av fysikerne funnet opp verdens mest avanserte sprøytespiss, som kan se forskjell på muskler, fett og blod. Forskning i stråleterapi forbedrer behandlingen til stadig flere pasienter og har gitt oss helt nye behandlingsteknikker, slik som protonterapi. Dette er en ny type kreftbehandling som USA, Japan og en rekke europeiske land har tatt i bruk, påpeker Sagstuen. Forskere ved Fysisk institutt har de siste årene jobbet for å få et eget protonterapisenter i Norge. Et slikt senter skal kunne behandle tusen kreftpasienter hvert år. Professor Johan Moan ved Fysisk institutt og Radiumhospitalet fikk nylig Universitetets forskningspris for sitt arbeid med å helbrede hudkreft med lys. Fornybar energi Instituttet er også sterkt involvert i utvikling av miljøvennlige og fornybare energikilder. Vi forsker på utvikling av materialer med helt nye egenskaper. Dette vil gjøre oss i stand til å bruke hydrogen som fremtidens drivstoff i biler og lage tre ganger mer effektive solceller. Instituttet er også med på å bygge solenergidrevne kommunikasjons- og helsetjenester på landsbygda i India og Afrika. For å nevne noe. Kaos i atmosfæren En av Norges mest kjente UiO-fysikere gjennom tidene, professor Kristian Birkeland ( ), la med sin forklaring av nordlys grunnlaget for dagens rom- og plasmafysikkforskning ved Fysisk institutt. I fjor sendte instituttet opp en rakett til flere millioner kroner for å avsløre flere av nordlysets hemmeligheter. Målet er å finne forklaringen på hvorfor fly over Nordkalotten mister radioforbindelsen når nordlyset herjer som verst. Radiosignalene blir påvirket av voldsomme turbulenser i elektronskyene. Når vi kan måle og beskrive turbulensene, kan vi forbedre radiokommunikasjonen og GPS-navigasjonen til både luft- og skipsfart, sier Einar Sagstuen. Fysikk er dessuten et viktig fag i vitenskapelige grener som kjemi, geologi, biologi, biokjemi, informatikk, astrofysikk, nanoteknologi og materialvitenskap. Instituttet er også sterkt involvert i verdens største partikkelfysikkeks-periment i CERN. CERN-eksperimentet er viktig for å hjelpe fysikerne til å løse store uløste problemer i fysikken, slike som å forene kvanteteorien med gravitasjonsteorien og gi en forklaring på mørk materie i universet. For å komme videre må vi hele tiden være kreative og være skeptiske til det alle tror er rett. Landets beste fysikkforskning Da Forskningsrådet publiserte en landsdekkende fysikkevaluering i februar, ble forskningen ved Fysisk institutt på Universitetet i Oslo kåret til landets beste. Flere av fagmiljøene fikk toppscore. Vi er veldig glade for og stolte over evalueringsresultatene. De bekrefter at vi er på rett vei, sier Sagstuen. Instituttet har i dag tett samarbeid med svært mange forskningsinstitusjoner i Oslo-regionen, som SINTEF, Statens strålevern, Institutt for energiteknikk og Forsvarets forskningsinstitutt. Nå ønsker instituttet også tettere kontakt med industrien. Verdensledende undervisning Einar Sagstuen håper på flere studenter. Et av trekkplastrene hans er en helt ny og i verdenssammenheng enestående undervisningsmetode, utviklet sammen med matematikere og informatikere ved Universitetet i Oslo. I fem av de seks grunnkursene i fysikk lærer studentene nå å løse hverdagsreelle problemstillinger ved å ta i bruk avanserte beregninger på datamaskinen fra dag én. Målet er å få denne undervisningsmetoden inn i alle grunnkursene, forteller instituttlederen, som selv er biofysiker og forsker på hvordan ioniserende stråling påvirker arvestoffet i menneskekroppen. APOLLON SEPT/2010 / Fysisk institutt 5

3 stråling MEDISIN Svært lav stråling dreper resistente kreftceller Alfapartiklene har en rekkevidde på opptil 50 mikrometer. En celle har en diameter på 15 mikrometer. Strålingen når derfor ikke inn i beinmargen, slik at stamcellene, som fornyer blodcellene våre, ikke skades for mye. Og det har heller ingen ting å si om kreftcellene har surstoffmangel eller ikke. Alfastråler fungerer like effektivt uansett om cellene har mye oksygen eller lite. Forskere har funnet en strålemetode som ødelegger oksygenfattige kreftceller uten å skade det friske vevet rundt. Hemmeligheten er kontinuerlig, ultralav stråling over flere uker. Tekst og foto: Yngve Vogt Det er mulig å ta knekken på resistente kreftceller med sammenhengende, ultralav stråling over flere uker. Det viser forskningen til professor Erik Olai Pettersen i biofysikk på Fysisk institutt ved Universitetet i Oslo. Oksygennivået er svært lavt i mange kreftsvulster. Da har cellene det dårlig og spiser opp oksygenet og blodforsyningen til svulstene. Dette kunne ideelt sett ha vært en fordel, men uheldigvis går kreftcellene i forsvarsposisjon for å slippe å dø av oksygenmangel. Forsvarsstrategien fører dessverre også til at kreftcellene blir motstandsdyktige mot både strålebehandling og kjemoterapi. Dessuten øker kreftcellene evnen sin til å spre seg til andre steder i kroppen. Så ideen vår var: Hvis man klarer å angripe cellenes beskyttelsessystem mot for lite oksygen, kan man skade svulsten og ikke det friske vevet rundt. Vi har nå funnet ut at enkelte celler med lite oksygen ikke tåler kontinuerlig belastning med ultralave stråledoser, samtidig som strålingen ikke har ødeleggende effekt på vanlige celler. Det er den motsatte effekten av hva man får med større stråledoser, forteller Erik Olai Pettersen. Vanskelig kreft Ti til tretti prosent av alle kreftceller lider av surstoffmangel. Fenomenet kalles hypoksi. Det er mye hypoksi i lungekreft, brystkreft og prostatakreft, samt i svulster i hode, hals, strupe og bronkie. Derimot fins ingen hypoksi i blodkreft. Kjemoterapi fungerer ofte mot blodkreft. Derimot er det vanskeligere å behandle de fleste kreftformene der det forekommer hypoksi. Disse kreftformene er resistente mot behandling og har en tendens til å ende i spredning til andre deler av kroppen, Foto:dreamstime også kalt metastase. I et 37 grader varmt laboratorium på Universitetet i Oslo har Erik Olai Pettersen bestrålt oksygenfattige menneskeceller med ultralave stråledoser kontinuerlig i flere uker. Laboratoriet er blitt et referanselaboratorium for forskere fra mange europeiske land. PATENTER: Vi skal sikre oss sterke patenter og tilby dem til legemiddelindustrien, for at de kan utvikle medisinene videre, forteller professor Erik Olai Pettersen, som er koordinator for et omfattende, europeisk kreftforskningsprosjekt. Radioaktivt protein Skal man bestråle kreftceller over lang tid, kan pasienten få en injeksjon med Valin påhengt et radioaktivt hydrogenatom. Valin er en essensiell aminosyre og en av byggesteinene i protein. Den radioaktive aminosyren tas opp av celler i kroppen og sender ut en betapartikkel, det vil si et elektron, med en rekkevidde på maksimum fem til seks mikrometer. Det er lite. En celle er tre ganger bredere. Erik Olai Pettersen ser for seg at behandlingen kan gå over to til tre måneder. Sammen med Radiumhospitalet skal han teste ut hvordan behandlingen fungerer over lang tid på dyr. 100 millioner kroner Forsøket er en del av det europeiske forskningsprosjektet Metoxia, der Erik Olai Pettersen er koordinator. Metoxia er et samarbeid mellom 22 europeiske universiteter, sykehus og industripartnere. EU støtter prosjektet med 100 millioner kroner. Målet vårt er å angripe kreftcellene med ny medisin basert på de forsvarsmekanismene som cellene tar i bruk mot hypoksien. Vi skal blant annet sikre oss sterke patenter og tilby dem til legemiddelindustrien, for at de kan utvikle medisinene videre. Metastase i beinvev En av samarbeidspartnerne til Pettersen er det norske medisinske legemiddelfirmaet Algeta. De utvikler en medisin som finner metastaser i beinmarg og ødelegger kreftcellene med alfapartikler. Brystkreft og prostatakreft, som er de to mest utbredte kreftformene i Norge, har begge den uheldige bivirkningen at sykdommen av og til kulminerer med en meget smertefull beinmargmetastase. Oppdages metastaser så tidlig som mulig, kan man bruke medisinen til å behandle pasienter som er i ferd med å få metastase, forteller Erik Olai Pettersen. Problemet er at det er svært vanskelig å oppdage bittesmå svulster. En synlig svulst må inneholde om lag én milliard kreftceller. Det er ikke mange celler i de minste metastasene. Algeta-medisinen inneholder en radioaktiv isotop av radium, som sender ut alfapartikler. Det spesielle med radium er at stoffet søker seg til beinvev. Ga seg aldri Erik Olai Pettersen har de siste førti årene forsket på molekylære prosesser i kreftsvulster med lavt oksygennivå. Han jobber tett sammen med Radiumhospitalet og har selv drevet grunnforskning der i 25 år. På åttitallet var det liten interesse for hypoksi i verden, etter noen mislykkete forsøk. Interessen endret seg radikalt på begynnelsen av nittitallet, da forskere oppdaget at hypoksi styrer én til to prosent av genomet vårt og at hypoksi blant annet er avgjørende for fosterutviklingen. Da kom cellebiologene på banen. Da professor Petter Ebbesen ved Ålborg Universitet oppdaget at virusutviklingen i celler endret seg under hypoksiske forhold, kalte han inn tre eksperter på hypoksi, deriblant Erik Olai Pettersen. Det ble starten på et tett samarbeid mellom Pettersen og Ebbesen, som igjen ble spiren til det store europeiske forskningssamarbeidet Metoxia. Erik Olai Pettersen påpeker at han aldri hadde kommet i mål uten solid grunnforskning. Mange politikere tror at EU støtter grunnforskning, men EU er svært opptatt av at forskningen skal være nyttig. Det var utelukkende muligheten for grunnforskning ved Radiumhospitalet som gjorde at jeg kunne drive på med dette på 1980-tallet. Den gang hadde det ikke vært mulig å skaffe finansiering til denne forskningen verken fra Forskningsrådet eller Kreftforeningen, presiserer Erik Olai Pettersen. 6] APOLLON 4/2008 / Fysisk institutt APOLLON 4/2008 / Fysisk institutt ]7

4 TEMA]BARN stråling]medisin Foto: Nordic photos STRÅLEOMRÅDE KREFTSVULST FØr NÅ FÆRRE BIVIRKNINGER: Ny behandling kan redusere stråleområdet med en fjerdedel. Ny strålebehandling fø lger pustebevegelsen Strålebehandling kan skade friskt lungevev hos pasienter med brystkreft og lungekreft. En ny metode, som følger svulstens bevegelser under pusting, gjør det mulig å redusere stråleområdet med en fjerdedel. Da blir det færre bivirkninger. Tekst: Yngve Vogt Sammen med kirurgi er stråleterapi den behandlingen som helbreder flest kreftpasienter. For at resultatet skal bli best mulig, er det viktig med høy stråledose til kreftsvulsten uten at organene og det omliggende, friske vevet blir utsatt for skadelig stråling. For å sikre seg at hele svulsten blir drept av bestrålingen, må legene likevel gardere seg ved å bestråle mye friskt vev i en sikkerhetssone rundt svulsten. Det kan føre til alvorlige bivirkninger. Strålebehandling av pasienter med brystkreft og lungekreft er spesielt krevende fordi svulsten forflytter seg mens pasienten puster. Nå har Manish Kakar laget en intelligent datamodell ved bruk av kunstig intelligens, som gjør det mulig å følge svulstens bevegelser under strålebehand- lingen. Arbeidet er en del av doktorgraden hans på Fysisk institutt ved Universitetet i Oslo. Til daglig er han avdelingsingeniør ved Radiumhospitalet. Mindre stråleområde Sannsynligheten for at kreftceller har spredt seg til et begrenset område rundt den lokale svulsten, er dessuten stor hos mange pasienter, men det er vanskelig å se disse løsgjengerne på medisinske bilder. Datamodellen kan hjelpe legen med å se hvor de er. Datamodellen gjør det mulig å redusere stråleområdet med en fjerdedel. Det betyr færre bivirkninger og bedre livskvalitet. Samtidig håper vi å kunne KUNSTIG INTEL- LIGENS: Manish Kakar har laget en datamodell som ved bruk av kunstig intelligens gjør det mulig å følge svulstens bevegelser under strålebehandlingen. bedre overlevelsen ved å øke stråledosen til kreftsvulsten, påpeker veileder Dag Rune Olsen. Han var inntil nylig professor ved Fysisk institutt på Universitetet i Oslo og forskningssjef på Kreftsenteret ved Radiumhospitalet og er nå dekan ved Universitetet i Bergen. Bestrålingen kan nå skrumpes inn Foto: YNGVE VOGT med flere millimeter rundt hele svulsten. Volummessig betyr det voldsomt mye. Det er derfor veldig viktig å vinne disse marginene, sier Dag Rune Olsen. Nederst i lungene er sikkerhetssonen i dag opptil en centimeter rundt svulsten. Det skyldes både at svulsten i dette området beveger seg mer under pustingen og at lungekreftpasienter puster ganske ujevnt, med småhosting underveis. Manish Kakar har derfor laget et system som automatisk påviser og følger svulsten hos lungekreftpasienter underveis i behandlingen. Det gjør det mulig å innskrenke bestrålingen til det området der svulsten til enhver tid befinner seg, forklarer Kakar. Kontinuerlig bestråling Ingen puster likt. Den matematiske beskrivelsen av pusting er et kaotisk system. I dag løser enkelte store sykehus problemet med å skru av og på strålebehandlingen ved inn- og utpust. Medisinere kaller dette for gating. Likevel kan svulsten bevege seg. Datamodellen til Kakar gjør det nå mulig å bestråle kontinuerlig. Den tar hensyn til hvordan den enkelte pasienten puster. Tre til fire pustebevegelser er nok opplæring for at datasystemet skal kunne beregne de neste pustebevegelsene. Resultatene blir enda bedre enn om pasienten får beskjed hver gang han skal puste. Ved å beregne pustingen helt automatisk, blir behandlingen mer presis. I dag er det vanskelig å bruke gating på pasienter med lungekreft. Vi kan gjøre behandlingen enklere med teknikken vår, forteller Dag Rune Olsen. Manish Kakar har også laget en datamodell som kan forutsi utfallet av strålebehandlingen. I dag må man vente i fem år for å se om det går bra. Dette åpner muligheten for å kunne skreddersy behandlingen til den enkelte pasient i større grad enn i dag. Mønstergjenkjenning Det er ofte vanskelig å skjelne mellom en svulst og friskt vev i medisinske bilder. Manish Kakar fremhever forskjellene på svulstvev og friskt vev ved å koble sammen tjue medisinske bilder. Da kan han skille ut de ulike vevstypene med mønstergjenkjenning. Ved å se på bildet gjennom ulike frekvensfiltre, kan vi få ut en langt mer nøyaktig beskrivelse av noe som ikke alltid er synlig for det blotte øye. Det gjør det lettere å skille mellom svulsten og det friske vevet. Et frekvensfilter kan sammenlignes med et prisme. Når hvitt lys sendes gjennom et prisme, blir lyset splittet opp i alle regnbuens farger. Kakars prisme er noe bildebehandlere kaller for Gaborfilter. Det er en matematisk formel som fremhever strukturer. Filteret er allerede mye brukt til gjenkjenning av iris og fingeravtrykk. Klinisk test Dag Rune Olsen mener Manish Kakar har kommet så langt at det er mulig å ta pustemodellen i bruk uten å måtte gjennomføre en klinisk pilotstudie. Det fins ingen medisinske innvendinger mot dette. Det som trengs, er tid og vilje, påpeker Dag Rune Olsen. 8] APOLLON 1/2010 / Fysisk institutt APOLLON 1/2010 / Fysisk institutt ]9

5 TEMA]BARN NANO]medisin Helautomatisk helsebrikke gir sykdomssvar på to minutter En ny helsebrikke, med et helautomatisk laboratorium, kan på få minutter si hva som feiler deg. Selv om brikken er svært avansert, skal den ikke koste mer enn fem kroner stykket. Tekst og foto: Yngve Vogt dag må legene sende de fleste blodprøvene til et spesiallaboratorium for I å kunne si hva som feiler deg. Det kan ta flere uker før du får svar. Om noen år kan du få diagnosen i løpet av få minutter på legekontoret. Det betyr at behandlingen kan starte langt raskere enn i dag. Hemmeligheten er et nyutviklet, helautomatisk helselaboratorium på størrelse med et kredittkort. Helsebrikken kan undersøke deg for åtte sykdommer eller åtte ulike merkelapper, kalt molekylære biomarkører, for samme sykdom samtidig. Brikken kastes etter bruk. Helsebrikken kan sjekke ut sykdommer som skyldes bakterier, virus og enkelte krefttyper, forteller Liv Furuberg, førsteamanuensis ved Fysisk institutt på Universitetet i Oslo og sjefsforsker ved Mikro- og nanoteknologilaboratoriet (MiNaLab) på SINTEF. Felles for alle disse sykdommene er at de lar seg påvise ved å lete etter spesielle biomarkører i blodprøven. Noen ganger er andelen av bestemte proteiner for høyt. Andre ganger inneholder blodet DNA-sekvenser som ikke skal være der. For å finne disse biomarkørene må dagens spesiallaboratorier gjøre en del omstendelige grep på blodprøven, slik som sentrifugering, varmebehandling, blanding med væsker og enzymer og oppkonsentrering av sykdomsmarkørene. Denne prosessen er automatisert i helsebrikken. Selv om brikken ser enkel ut, inneholder den et nettverk av mikrokanaler og blandingsstoffer. Brikken er generisk. Det vil si at MODERNE: Med den nye helsebrikken kan behandlingen starte langt raskere enn i dag, påpeker førsteamanuensis Liv Furuberg. brikkekonstruksjonen er lik for mange analyser. Blandingen av kjemikaliene og enzymene inne i brikken må tilpasses hver enkelt analyse. Det har bioteknologiselskapet NorChip på Hurumlandet ansvaret for. De hadde også ideen til selve brikken. Legene kan se frem til oppfinnelsen. De trenger bare å sette helsebrikken inn i kortholderen på en liten maskin og tilsette noen dråper blod fra pasienten via et rør i kortholderen. Resten går av seg selv. Automatikk Først suges blodet inn i supertynne kanaler i brikken. Dette fungerer på samme måte som når væske stiger automatisk til værs i et kapillarrør. Legene bruker det samme prinsippet når de tar blodprøve fra fingeren din. Når de har fått en dråpe blod ut av fingeren din, plasserer de det meget tynne røret på blodet. Så suges blodet automatisk opp. Men forskerne støtte på et problem. Helsebrikken er laget av plast. Materialet har meget dårlige egenskaper. Blodet renner ikke inn som det skal. I tillegg blir proteiner hengende fast i plastveggen. Dette er uheldig hvis vi skal finne proteiner med meget lav konsentrasjon. Da kommer ikke proteinene frem til sensorområdet innerst i brikken. Forskerne har derfor bekledd innsiden av rørene med et nanolag biomolekyler, slik at blodet med proteinene glir videre inn uten å feste seg. Kunsten har vært å velge biomolekyler som ikke ødelegger den kjemiske analysen. Blodet skal bare suges inn til angitte plasser. Da er man sikker på at bare en eksakt mengde blod blir blandet med enzymer og andre kjemikalier. Forskerne løste dette med å bekle gitte punkter med teflon. Ettersom teflon frastøter vann, trekker blodet inn hit og ikke lenger. GAMMELDAGS: I dag må de fleste blodprøver sendes til laboratorium. Da kan det ta flere uker før du får svar. Måler sykdomsstoffet Konsentrasjonen av biomarkørene er som regel så lav at de ikke lar seg oppdage. Den eneste muligheten er å øke konsentrasjonen. Når biomarkørene er en DNA-bit, kan man kopiere opp DNA-biten flere millioner ganger. Denne teknikken har vært kjent i tjue år. Når biomarkørene er proteiner, blir det vanskeligere. Dessverre er det ikke mulig å kopiere opp proteiner. I noen tilfeller kan man gå omveien om mrna, populært kalt for budbringer- RNA. mrna er en kopi av DNA og brukes til å lage proteiner. Akkurat som med DNA, er det mulig å kopiere opp mrna til et så stort antall at en detektor kan oppdage dem. Oppkopieringen krever enzymer. Én liter enzym kan koste like mye som et operabygg. Det er derfor svært besparende at helsebrikken ikke trenger mer enn noen få nanolitre av dette rådyre stoffet. Supersvakt lys Det er ikke nok å kopiere opp biomarkørene. Man trenger også teknikker for å lese av resultatene. Forskerne ved MiNaLab har derfor utviklet en rekke teknikker for å kunne tolke resultatet på brikken. Når biomarkørene er funnet, blir resultatene avlest i et optisk instrument. Det oppkopierte arvestoffet blir festet til hvert sitt fluorescerende molekyl. Disse molekylene sender ut et meget svakt lys. Forskerne har også testet en annen teknikk. De har laget et mikroskopisk stupebrett med antistoffer, som har som oppgave å fange inn biomarkørene. Stupebrettet er laget i silisium. Når biomarkøren lander på stupebrettet, vil det bøye seg. Den elektriske motstanden endrer seg. Stupebrettet vil da gi Foto: DREAMSTIME fra seg et elektrisk signal. Dette er både billigere og enklere å måle enn fluorescerende lys. Stupebrettet er måleinstrumentet og kan derfor puttes inn i mikrokanalene i helsebrikken. Selv om denne engangsbrikken vil koste noe mer, kan teknologien være grei å ha om du vil sjekke drikkevannet når du er på telttur eller når helsepersonell må stille raske diagnoser på den afrikanske landsbygda. Gjennomsiktig speil Som om dette ikke er nok, er forskerne også i gang med enda en detektorteknologi i samarbeid med den norske professoren Olav Solgaard ved Stanford University. Den nye sensoren vil bli så følsom at den teoretisk sett skal reagere selv om den bare finner én eneste sykdomsmarkør. Da slipper man oppkopieringen av biomarkørene. Hemmeligheten er å legge inn et lite speil i helsebrikken. Det 180 nanometer tynne speilet skal bare være en kvadratmillimeter stor. Speilet blir pepret med 200 nanometer små hull. Speilet blir gjennomsiktig rundt hullene hvis de riktige biomarkørene fester seg. Før markørene har festet seg, reflekteres lys med en bestemt bølgelengde. Når biomarkørene fester seg, slippes lys med den bestemte bølgelengden igjennom. Dette lyset kan avleses med et vanlig kamera. Det spesielle speilet kalles for et fotonisk krystall. Liv Furuberg regner med at en slik helsebrikke kan gi sykdomssvar på mindre enn ett minutt. Sannsynligvis vil det gå enda fortere. Måler forurensning Helsebrikken er ikke bare designet for blodprøver. Den kan analysere andre væsker, som spytt og urin. Brikken kan også brukes til å analysere forurensning. Tross den avanserte teknologien blir den billig å masseprodusere. Fem kroner brikken er ikke et urealistisk beløp, mener Liv Furuberg. 10] APOLLON 4/2009 / Fysisk institutt APOLLON 4/2009 / Fysisk institutt ]11

6 TEMA]BARN Nano]solenergi Fremtidens solceller, som utvikles ved Universitetet i Oslo, skal fange opp tre til fire ganger mer energi enn hva som er mulig i dag. Oppskriften er spesiallagete nanopartikler, oppdeling av lyspartikler og større utnyttelse av lysspekteret. Nye solceller fanger opp 3 ganger så mye e nergi Tekst og foto: Yngve Vogt For å redusere verdens enorme CO - 2 utslipp, er det nødvendig å erstatte forbrenningen av fossile ressurser med andre energkilder. Vi kan ikke endre retten til energi. Det ville være som å ta vannet fra folk. Vi trenger derfor alternative energikilder. Vårt bidrag er tre ganger så effektive solceller. Det ville revolusjonert energiforsyningen, forteller professor Helmer Fjellvåg på Senter for materialvitenskap ved Universitetet i Oslo. Dagens solceller er laget av silisium og utnytter bare 16 til 18 prosent av sollyset. Den teoretiske grensen er 30 prosent. Noen er nede i ti prosent. Silisiumceller fanger bare opp lys innenfor et lite energiområde. Mesteparten av lyset blir ikke fanget opp. Noen har prøvd å fange opp mer lys ved å blande inn de meget dyre grunnstoffene gallium og arsenikk. Da klarte de å utnytte så mye som 41 prosent av sollyset. Men denne løsningen vil aldri bli lønnsom. Nanoteknologi Nå utvikler norske forskere nye solcel- ler som skal fange opp tre til fire ganger mer energi enn de som selges på markedet i dag gjør. Solcelleforskningen er et samarbeid mellom Universitetet i Oslo, Institutt for Energiteknikk, NTNU og SINTEF. De står bak et forskningssenter for miljøvennlig energi (FME) og har fått støtte på over 320 millioner kroner fordelt over åtte år. De utvikler solceller som skal dekke hele sollysspekteret. For å klare det har de tatt i bruk nanoteknologi. Den teoretiske grensen for løsningen vår er 60 til 80 prosent utnyttelse av sollyset. En realistisk, kommersiell mulighet for løsningen vår blir nok et sted mellom 50 og 60 prosent. Det betyr en tredobling av effekten i forhold til dagens løsning. Vi håper å få Nobelprisen i fysikk for den mest fremtidsrettede ideen, forteller professor Bengt Svensson på Fysisk institutt ved Universitetet i Oslo. Han leder forskergruppen ved Universitetet i Oslo. Med seg har han 55 forskere, deriblant femten stipendiater og ti postdoktorer. Forskningen deres skjer på Mikro- og nanoteknologilaboratoriet (MiNaLab), som brukes både av Universitetet i Oslo og av SINTEF. Verdensledende En av utfordringene deres er å få tak i så mye av sollyset som mulig. Sollys består av lys med forskjellige bølgelengder. Hver av dem skaper ulike farger. Hver av disse fargene kan kalles for et spekter. En solcelle kan bare fange inn ett spekter, altså bare en del av sollyset. For å dekke hele sollysspekteret skal de utvikle helt nye solceller og sette dem sammen. Alle disse solcellene skal lages som tynnfilm. Tynnfilm er svært tynne materialer. Universitetet i Oslo er blant de ledende i verden på tynnfilmforskning. FANGER LYSPARTIKLER: Professor Bengt Svensson utvikler tre ganger mer effektive solceller på Mikro- og nanoteknologilaboratoriet ved Universitetet i Oslo. Her må alle ansatte ha på spesialklær, ettersom flass og andre støvpartikler kan ødelegge produksjonen av nanomaterialer. Vi trenger et sted mellom to og fire ulike tynnfilmer for å dekke mesteparten av lysspekteret. Tynnfilmene blir lagt oppå hverandre. Hvis en lyspartikkel ikke blir fanget opp av det øverste laget, fortsetter lyspartikkelen til det neste laget. 12] APOLLON 4/2009 / Fysisk institutt APOLLON 4/2009 / Fysisk institutt ]13

7 nano]solenergi solceller]utvikling Utnytter elektronhull Alle solceller lages av noe som kalles halvledermaterialer. Halvledere har helt spesielle elektriske egenskaper. For å kunne studere de elektriske egenskapene må fysikerne se på båndgapet. Båndgapet sier noe om hvor mye energi som må til for å sende elektroner til noe som kalles ledningsområdet. Hvis det ikke finnes noen båndgap, leder materialet strøm. Er båndgapet stort, leder ikke materialet strøm i det hele tatt. Halvledere er materialer med et så stort båndgap at de bare delvis leder strøm. Ved å bruke nanoteknologi kan forskerne designe materialer med et helt bestemt båndgap. Når fotoner, populært kalt for lyspartikler, treffer solcellen, blir solcellen tilført energi. Denne energien kan få et elektron til å bevege seg gjennom båndgapet fra sitt stabile felt til noe som kalles ledningsområdet. Samtidig som elektronet har blitt presset opp til ledningsområdet, etterlater det seg et elektronhull. Både elektronet og elektronhullet kan lede strøm. En av de store utfordringene er å få huket tak i denne energien før elektronet faller tilbake i elektronhullet. Det tar vanligvis bare noen få nano- eller mikrosekunder. Det er kort tid. Forskningsgruppen ved Universitetet i Oslo utvikler nå materialer av så god kvalitet at levetiden på elektronene og elektronhullene blir ett tusendels sekund. Selv om et tusendels sekund kanskje ikke høres så mye ut, har de likevel opp til én million ganger lengre tid til å lede strømmen ut av solcellen. Deler lyspartikler i to Forskerne skal også krydre solcelletynnfilmene med nanokrystaller. Poenget med nanokrystallene er å få inn mer av sollyset. Og som om dette ikke er nok: Nanokrystallene skal også sørge for å utnytte NOBELPRISIDÉ: Vi håper å få Nobelprisen for den mest fremtidsrettede ideen, sier professor Bengt Svensson. Forskningsgruppen hans utvikler nå spesielle nanopartikler som skal doble utnyttelsen av lyspartikler. lyspartiklene enda mer. I dag skaper som sagt hvert foton et elektronpar, det vil si et elektron og et elektronhull. Forskerne skal nå doble denne effekten. Det er nettopp dette som er den store fremtidsrettede Nobelprisideen til forskningsgruppen. Populært fortalt skal hvert foton dele seg i to fotoner, slik at det skapes to elektronpar. Forklaringen høres enkel ut: Når et foton treffer solcellen, dannes det så mye energi at elektronet ikke bare havner i ledningsbåndet. Elektronet havner faktisk i et enda høyere energinivå. Hvis man tar høyde for dette, kan vi bruke den ekstra energien til å presse ut enda et elektron. Det betyr at hvert foton kan føre til to elektronpar og ikke bare ett. Utfordringen vår er å kontrollere materialet slik at vi kan få ut denne energien. I dag blir ikke denne ekstra energien brukt til noen ting. Men i naturens verden er det slik at all energi må havne et sted. Ubrukt energi omdannes til varme. Denne varmen er ikke bra. Det kan slite på materialet. Så forskerne slår to fluer i ett smekk: De henter ikke bare ut mer energi, de sørger også for at materialet lever lenger. Billig Selv om Bengt Svensson skal ta i bruk svært avansert teknologi, påpeker han at de nye solcellene blir billige å produsere. Løsningen vår blir faktisk billigere enn dagens solceller. Silisium blir fortsatt hovedbestanddelen. Silisium er det vanligste grunnstoffet i verden. Det skader heller ikke at Norge er verdens største produsent av silisium, med REC, Elkem og Hydro som de største aktørene. En av de store utfordringene blir å beregne størrelsen på nanopartiklene. Det er svært viktig. Nanopartikler har ulike egenskaper avhengig av størrelsen. Størrelsen og sammensetningen av nanopartikler er viktig for å hente ut lyspartikler fra hver enkel del av lysspekteret. For å få de nøyaktige elektriske og optiske egenskapene til nanopartiklene, tyr forskerne til tunge datasimuleringer. Vi klarer nå å beregne størrelsen på dem og hvordan de skal forbli stabile. Partiklene blir bare et sted mellom fem og femti nanometer tykke, avhengig av hvilket lysspekter de skal fungere på. Forlenger levetiden De forsker også på hvordan man kan lage gode overganger mellom nanopartiklene og tynnfilmene. I alle overganger er det elektrisk spenning. Da kan det dannes defekter i grenseområdet. Det kan ødelegge dannelsen av elektronpar. Det er uheldig. For å passivisere denne tilstanden skal vi bruke hydrogen i tynnfilmen. Det vil øke levetiden til elektronene og elektronhullene. Det er nettopp dette som industrien er mest opptatt av i dag, forteller Bengt Svensson, som har forsket på halvledere i 30 år. Tester solcellene i u-land UiO-forskere skal teste hvordan de nye solcellene deres tåler ekstreme værforhold i u-land. Tekst: Yngve Vogt dag dreier den vestlige solcelleforskningen seg først og fremst om større I ytelse. Et av de store problemene i tropiske land er at solceller utsettes for langt røffere belastning enn i Europa. Monsun, høy luftfuktighet, høy temperatur, støv og forurensning kan føre til defekter i nanostrukturene. Temperaturen svekker materialet over tid. Vi kan kanskje unngå varmeoppheting med de nye solcellene våre, hvor vi dobler utnyttelsen av fotoner. Men luftfuktigheten er også en spesiell utfordring i tropiske strøk. Hydrogenatomene fra vannmolekylene kan trenge inn i solcellepanelet. Det er vanskelig å simulere alt dette i et laboratorium. Robustheten er viktig. U-land gir oss en unik mulighet til å teste hva solcellene våre tåler og hva som skjer på nanonivå, forteller professor Bengt Svensson på Fysisk institutt. Sammen med Milen, som er universitetets tverrfakultære forskningssatsing på miljøendringer og bærekraftig energi, og Universitetet i Dar es Salaam skal fysikere teste ut nye solceller i et par landsbyer i Tanzania. Vebjørn Bakken, lederen for den nye forskerskolen i solcelleteknologi, populært kalt for solskolen, ønsker å koble seg på. Han ønsker solcellefeltkurs i Tanzania for masterstudenter, stipendiater og forskere. Forskerskolen er et samarbeid mellom UiO, NTNU og IFE. Landsbyene vil være testlaboratoriet vårt. Vi vil lære hvilke begrensninger og muligheter solcelleteknologien har. Det er viktigere at alt fungerer enn at solcellene har maksimal ytelse, sier Vebjørn Bakken. Han lover en sterk internasjonal profil på deltakerne. Bedre helse Forskere ved UiO ønsker nå å koble fornybar energi til helse. Her slår vi to fluer i ett smekk. Få har gjort begge deler, forteller Bengt Svensson. Institutt for informatikk ved Universitetet i Oslo har i en årrekke trosset analfabetisme og strømløse områder i Afrika og utviklet svært avanserte helseinformasjonssystemer som gjør det mulig å forbedre helsetiltakene. Systemet ble i sommer standarden i Verdens helseorganisasjon. For at systemet skal virke best mulig trenger helsearbeiderne muligheten til å kommunisere med omverdenen. Da er mobil og tilgang til elektrisitet viktig. Ideen er å bygge ut solcellebaserte energinett i fattige og isolerte landsbyer uten tilgang til det nasjonale strømnettet. Utbyggingen er tredelt. Nivå 1: Solenergien er grunnpilaren. Energien skal lagres i batterier. Batteriene skal lades om dagen og brukes om natten. På sikt er målet miljøvennlige tynnfilmbatterier. I dag brukes blybatterier. De blir kastet etter få års bruk. Nivå 2: Det elektriske ledningsnettet skal prioritere dem som trenger strømmen mest, så som helsestasjoner, vaksinelagre og skoler. Nivå 3: Det øverste nivået er anvendelsene, slik som helse- og informasjonssystemet. Instituttleder Einar Sagstuen ved Fysisk institutt sier at prosjektet kan forbedre levestandarden dramatisk for verdens fattigste. GRUNDIG TEST: U-land gir oss en unik mulighet til å teste hva solcellene tåler, forteller Vebjørn Bakken, lederen for forskerskolen i solcelleteknologi (t.v.), og professor Bengt Svensson. 14] APOLLON 4/2009 / Fysisk institutt APOLLON sept/2010 / Fysisk institutt ]15

8 cern]partikler TEMA]BARN Gjenskaper øyeblikket etter Big Bang Fysikere forbereder nå verdens største eksperiment for å finne universets minste partikler. De vil forstå hva som skjedde i universet rett etter Big Bang. Men først skal de finne forklaringen på hvorfor atomer har masse. VERDENS STØRSTE EKSPERIMENT: For å løse de grunnleggende, kvantefysiske problemene skal fysikere fra hele verden undersøke hva som skjer når atomer kolliderer i en 27 kilometer lang akselerator som ligger hundre meter under bakken i grenseområdet mellom Sveits og Frankrike. Foto: CERN Tekst og foto: Yngve Vogt Tjue fysikere fra Universitetet i Oslo deltar sammen med flere tusen internasjonale fysikere i verdens største fysikkeksperiment på CERN utenfor Genève. Der skal de løse grunnleggende kvantefysiske problemer og finne svar på fysikkens aller største gåter. Etter ti års intense forberedelser er fysikerne snart klare til å sende de første partiklene rundt i verdens største partikkelakselerator. Akseleratoren er 27 kilometer lang og ligger i en tunnel hundre meter under bakken i grenseområdet mellom Sveits og Frankrike. For å måle hva som skjer når partiklene kolliderer i lysets hastighet, har fysikerne bygd fire høyteknologiske detektorer, store som seksetasjes boligblokker. Fysikerne har en stor drøm. De vil spore opp verdens minste partikler og finne ut av hvordan universet er bygd opp, og hvordan tilstanden var i universet de dramatiske millisekundene før atomene ble dannet. Vi har forstått hva som har skjedd de siste 13,7 milliarder årene. Nå mangler vi bare forståelsen av hva som skjedde den første brøkdelen av et sekund etter Big Bang. Men denne brøkdelen av et sekund er den vanskeligste utfordringen vi har prøvd oss på i moderne fysikk, forteller postdoktor i partikkelfysikk, Bjørn Samset på Fysisk institutt ved Universitetet i Oslo. I den ene detektoren, som kalles Alice, skal fysikerne studere hva som skjer når tunge blykjerner smeltes til plasma. Plasmaet var ursuppen i universet før det ble dannet atomkjerner og protoner (bestanddel i atomkjernen). Vi ønsker å gjenskape denne suppen for å se hva slags stoff en atomkjerne smelter til. Ved å studere dette plasmaet får vi informasjon om den sterkeste og vanskeligste av alle naturkreftene, den sterke kjernekraften, påpeker Bjørn Samset. I plasmaskyen flyter kvarkene fritt. Kvarker er bitte små bestanddeler inne i protonene. Selv om forskerne allerede har klart å sortere kvarkene i seks forskjellige typer, vil de aldri, aldri klare å se en eneste kvark i virkeligheten. Slik er naturen. Når to atomkjerner smelter sammen, blir det et utrolig kaos. Kvarkene glemmer hvilke atomkjerner de tilhører. Under selve kollisjonen vil de flyte fritt i suppen. Det var akkurat slik hele universet var, den gangen det var en boble der alle kvarkene fløt fritt. På grunn av trykket vil boblen utvide seg, akkurat som en ballong, og når den er stor nok, har ikke kvarkene noe valg. Da vil de gruppere seg igjen, sier Samset. Etter omfordelingen av kvarkene kan fysikerne observere nye partikler som er laget av både de gamle og nye kvarkene. Det vanskelige er at man aldri kan se det man har lyst til å se. Man ser bare sporene. Resten må beregnes matematisk, forteller Bjørn Samset. Eksperimentene i akseleratoren skal også løse en rekke andre fundamentale fysikkproblemer. Hver av dem vil være små brikker i det gigantiske puslespillet for å skjønne universets sammenheng. Masseundringen Et av de uløste problemene er hvorfor de minste partiklene har masse. Fysikerne har bare en teoretisk forklaring, og det er at massen må skyldes en bitte 16] APOLLON 3/2007 / Fysisk institutt APOLLON 3/2007 / Fysisk institutt ]17

9 cern]partikler PARTIKKELKNUSER: Bjørn Samset og Katarina Pajchel ved Fysisk institutt inspiserer detektoren som skal knuse partikler. KOSTBAR JAKT: I den seks etasjer høye detektoren til flere milliarder kroner håper fysikerne å finne verdens minste partikkel. DYPDYKK: Partikkelfysiker fundamentale kvantefysiske Claire Timlin på CERN ser frem til å løse en rekke problemer. URSUPPEN: I Alice-detektoren skal fysikerne gjenskape ursuppen i universet fra tiden før atomkjernene ble dannet. NEDE I AKSELERATOREN: Atomene blir slynget rundt med en fart på nesten lysets hastighet, forklarer Bjørn Samset fra Fysisk institutt. liten energipartikkel inne i atomkjernen som kalles for Higgs partikkel. Higgs-partikkelen er fysikernes gral, men den er aldri blitt funnet, fastslår forsker Katarina Pajchel ved Fysisk institutt. For å være helt sikker på at Higgspartikkelen fins, skal flere tusen fysikere gjøre parallelle eksperimenter i to forskjellige detektorer plassert noen kilometer fra hverandre på partikkelakseleratoren. Den ene heter Atlas, den andre CMS. Hver av dem har kostet flerfoldige milliarder kroner og er spesialdesignet for å se hva som skjer når protoner knuses. De to detektorene gjør nesten det samme. Hele poenget er at to uavhengige forskningsgrupper skal kappes om å løse den samme fysikkoppgaven og finne og tolke resultatene, sier Bjørn Samset. I 1964 la professor i teoretisk fysikk, Peter Higgs, frem en matematisk modell som beskriver et elektromagnetisk felt i rommet. Feltet kalles for Higgs-feltet. Dette feltet består av Higgs-partikler. Når elementærpartikler, som kvarker og protoner, passerer feltet, blir de tyngre. Den dagen Higgs-partikkelen er funnet, har fysikerne fått alle brikkene på plass i standardmodellen. Standardmodellen er teorien som forklarer hvordan elementærpartiklene danner alt stoff i universet og som beskriver tre av naturkreftene (sterke kjernekrefter, svake kjernekrefter og elektromagnetisme). Professor Steinar Stapnes ved Fysisk institutt er optimist. Han tror Higgs-partikkelen vil bli funnet innen utgangen av 2009, men påpeker likevel at det kan ta flere år før man er sikker, fordi fysikerne først må tolke enorme mengder med data. Skulle vi ikke finne Higgs, bryter teoriene våre sammen. Da er ikke standardmodellen så enkel som vi trodde, ler Stapnes, som også er nestleder på Atlas-detektoren i CERN. Selv om Higgs-partikkelen blir funnet, gjenstår det en del problemer. Spørsmålet er også hvorfor alle protoner har nøyaktig den samme massen uansett hvilket grunnstoff protonene tilhører, påpeker professor Gunnar Løvhøiden ved Fysisk institutt. Supersymmetri Selv om Higgs-oppdagelsen vil være en viktig oppdagelse for fysikerne, konstaterer partikkelfysiker Claire Timlin på CERN at de andre eksperimentene vil være enda mer spennende. Fysikerne ønsker også å finne ut om naturen er supersymmetrisk. Supersymmetri betyr at det er symmetri mellom stoff og krefter. For hvert eksemplar av elektroner og kvarker mener fysikerne at det fins tilsvarende tyngre, supersymmetriske partnere i verdensrommet. Disse supersymmetriske partiklene skal ha blitt skapt i løpet av den første brøkdelen av et sekund etter Big Bang. Hvis supersymmetrien stemmer, kan fysikerne forklare både en del av det som skjedde etter Big Bang og hvorfor det er mørk materie i verdensrommet. Flere observasjoner viser at vel åtti prosent av materien i verdensrommet er mørk, ikke-synlig materie. På grunn av gravitasjonskraften vil den mørke materien klumpe seg sammen i verdensrommet. Den mørke materien kan forklare hvorfor stjernene beveger seg slik de gjør i galaksen vår. Vi tror det er en ukjent materie i galaksen som forklarer galaksens rotasjonshastigheter. Dette er mørk materie. Vi antar at dette er supersymmetriske partikler. De er tunge. Det er mye av dem. Det er denne partikkelen vi skal prøve å finne. Da kan vi løse et problem for kosmologene, sier Steinar Stapnes. I midten av mai 2007 publiserte NASA nye indisier på at mørk materie fins. Nå gjenstår selve bevisene. Det er nettopp det som skal skje i Atlasdetektoren. Og som om dette ikke er nok: Forskerne ønsker også å finne svarte hull i eksperimentet. Svarte hull er så tunge at ingenting unnslipper. Selv ikke lys. I eksperimentet vil sorte hull ha veldig kort levetid. Men selv om de lever kort, håper vi å se dem ved å observere de partiklene de fordamper til, understreker Katarina Pajchel. Gravitasjonsteorien Et av fysikernes største mål er å koble alle naturkreftene sammen. For 150 år siden oppdaget fysikerne at elektrisitet og magnetisme var en del av den samme kraften. Denne kraften er siden kalt for elektromagnetisme. To av de andre naturkreftene er sterke og svake kjernekrefter. Den svake kjernekraften ser vi blant annet i radioaktivitet. Den sterke kjernekraften er ti milliarder ganger sterkere og handler om gluoner. Gluoner er kraftbærende partikler som binder sammen kvarker til nøytroner og protoner. Takket være giganteksperimentene i CERN, mener Bjørn Samset det vil være mulig å samle alle disse tre naturlovene i én og samme lov. Den store bøygen er sammenkoblingen med den fjerde naturloven, gravitasjonskraften. Einstein klarte det aldri. Einsteins teorier forklarer tyngdekraften, men Einsteins lover kan ikke kobles sammen med kvantemekaniske lover. Einstein antok at rommet krummer seg. Hvis noen faller ut av et fly, vil de ifølge Einstein bevege seg i den korteste linjen i tidsrommet og ikke på grunn av gravitasjon. For å koble sammen gravitasjonsteorien med de tre andre naturlovene, må vi skjønne tyngdekraften som kvanteteori. Da trenger vi en teori der partikkelen graviton inngår. Hvis vi er heldige og naturen er snill, kan disse gravitonene dukke opp i eksperimentet, håper Bjørn Samset. Steinar Stapnes mener gravitasjonsteorien kan løses hvis man legger på noen ekstra dimensjoner. Seks til sju ekstra, romlige dimensjoner sammen med supersymmetriske partikler er en unik måte å forklare gravitasjonen på. Dimensjonene kan være så små at de ikke er observert. Det kan hende vi lever i et univers med for eksempel ti dimensjoner, men vi kan bare erfare tre av dem fordi kreftene kun opererer mellom disse tre dimensjonene, sier Steinar Stapnes. Poenget er at en felles forståelse av de fire naturkreftene vil gi en unik forståelse av verden. Da kan vi beskrive alle mulige interaksjoner mellom partiklene i naturen. I dag har ingen lykkes med å finne en felles ramme for relativitetsteorien og de tre andre naturkreftene. Vi trenger eksperimentelle data for å bevise dette. Det er allerede nok teorier, hevder professor Steinar Stapnes ved Fysisk institutt og nestleder på Atlas-detektoren i CERN. UNIVERSETS UTVIKLING: Figuren viser universets utvikling fra Big Bang og frem til i dag, 13,7 milliarder år senere. Sirklene antyder noen spesielle tidspunkter i utviklingen. Etter omtrent tre minutter hadde vi fått de første atomkjernene, og universet holdt en temperatur på én milliard grader. Etter tre hundre tusen år fikk vi atomer, og først da ble universet gjennomsiktig. I dag er temperaturen tre grader over det absolutte nullpunkt, og vi har fått galakser, planeter og mennesker. Samtidig fortsetter ekspansjonen, og universet blir stadig større og kaldere. I dag forstår fysikerne hva som skjedde så langt tilbake som til sekunder etter Big Bang. Det er ikke mer enn et ti-milliarddels sekund. Eksperimentene på CERN vil forhåpentligvis gi fysikerne en forståelse helt tilbake til én billiontedels sekund etter Big Bang. Illustrasjon: CERN 18] APOLLON 3/2007 / Fysisk institutt APOLLON 3/2007 / Fysisk institutt ]19