Årsrapport 2010 Kjerne- og partikkelforskning/kjernpar (2006-2011) Året 2010 I 2009 startet verdens kraftigste partikkelakselerator, Large Hadron Collider (LHC) opp på CERN-laboratoriet nær Genève, i en 27 km lang sirkulær tunnel 100 meter under jorda. I løpet av 2010 er det samlet inn en stor mengde data fra alle de store eksperimentene ved LHC, deriblant ATLAS og ALICE, og dette har allerede resultert i en lang rekke vitenskapelige publikasjoner. Gjennom disse eksperimentene har fysikerne gjenoppdaget alle de kjente elementærpartiklene, og de har startet søket etter nye partikler (slik som det mye omtalte Higgs-bosonet) og ny fysikk. LHC forventes å gi viktige data i mange år. KJERNPAR-programmet finansierer norsk deltagelse i ATLAS og ALICE, og 70-80 personer fra miljøer ved UiB, UiO, NTNU og en rekke høgskoler utfører sin forskning ved CERN. Dette inkluderer teknologistudenter, masterstudenter, stipendiater og forskere. I løpet av 2010 er det nedlagt et stort arbeid av norske studenter og forskere med klargjøring, operasjon og overvåking av ATLAS- og ALICE-detektorene, samt utvikling av den elektroniske infrastrukturen som kreves for å håndtere, analysere og lagre de enorme datamengdene som genereres fra eksperimentene. De norske aktivitetene evalueres av et internasjonalt ekspertpanel, som gir anbefalinger for programmets videre innretning. Antall nordmenn (14) som er fast ansatt ved organisasjonens hovedkvarter i Genève er lavere enn hva man burde forvente i forhold til størrelsen på medlemskontingenten. Imidlertid har Norge 8 teknologistudenter, 2 doktorgradsstudenter og 7 fellows finansiert av CERN, og dette antallet er langt høyere enn medlemskontingenten skulle tilsi. Gjennom målrettet ILO-arbeid har Norges industrielle retur for leveranser til CERN gradvis økt fra et bunnivå på 2% i 2005 til 21% i 2010. Det har i 2010 vært gjennomført idésøkseminar på CERN i samarbeid med NTNUs Entreprenørskapsskole, med formål å identifisere egnede teknologier som utgangspunkt for bedriftsoppstart. Programmets mål KJERNPAR er en samling av tre prosjekter som alle er relatert til den forskning som foregår på CERN (European Organization for Nuclear Research) i Genève. For å sikre best mulig vitenskapelig utnyttelse av Norges medlemskap i CERN og gjøre det mulig for norske forskere å delta i store eksperimentelle konsortier er følgeforskningen organisert som et langsiktig program. Forskningsrådet har underskrevet en Memorandum of Understanding (MoU) med CERN, hvor det forplikter seg til å delta i CERN-virksomheten inntil 2011. Dette inkluderer støtte til ferdigstillelse, drift og vedlikehold av de store eksperimentene ATLAS og ALICE. Det forrige KJERNPAR-programmet (1998-2005) var spesielt innrettet mot konstruksjonsfasen til akseleratoren LHC (Large Hadron Collider), som skulle ha blitt avsluttet i år 2005. Det oppsto forsinkelser i byggeprosessen, slik at tidspunktet for ferdigstilling ble forskjøvet til 2008. I 2004 fattet Divisjonsstyret for Vitenskap vedtak om nye bevilgninger til den norske CERN-virksomheten for perioden 2006-2011. Bevilgningene startet på 18 mill. kroner det første året og øker deretter med beløp tilsvarende prisstigningen ut Memorandum of Understanding -perioden. Forskerne fremla i 2005 et forslag til organisering av CERNvirksomheten i årene 2006 2011, og dette ble lagt til grunn for den nye bevilgningsperioden, basert på anbefalinger fra et internasjonalt ekspertpanel. Ekspertene møter Forskningsrådet og forskerne til et årlig seminar og evalueringsmøte. Budsjettprofiler for hele perioden inngår i prosjektenes kontrakter.
Programmets forskningstema er gitt i og med at det er et følgeforskningsprogram, som har som mål å medvirke til bygging av to av de seks eksperimentene ved LHC - ATLAS og ALICE - som er definert av CERN. Norge har gitt viktige bidrag til å bygge enkelte eksperimentmoduler, og man har også forberedt norske stipendiater og forskerrekrutter for forskningen som LHC nå gir mulighet til å utføre. Ved siden av direkte støtte til de tre prosjektene gis støtte til at norske teknologistudenter skal oppholde seg på CERN, til en norsk Industry Liaison Officer (ILO), som skal fremme norsk industri ved organisasjonen, samt deltakelse i CERNs styrende organer og vitenskapelige komiteer. I perioden 2006-2011 er aktivitetene konsentrert om tre hovedprosjekter, som må sees som videreføring og utvidelse av de tidligere fire prosjekter: Høyenergi partikkelfysikk (inkl. ATLAS og Grid-aktiviteter); prosjektleder Farid Ould-Saada (UiO) Høyenergi kjernefysikk (inkl. ALICE og Grid-aktiviteter); prosjektleder Dieter Röhrich (UiB) Avansert instrumentering (inkl. ILO og teknologistudenter); prosjektleder Steinar Stapnes (UiO). Økonomi og prosjektomfang Disponibelt budsjett i 2010: 20,9 MNOK Forbruk i 2010: 21,9 MNOK Programmets finansieringskilder i 2010: KD Antall og type prosjekter i 2010: Totalt 3 forskerprosjekter Vurdering av måloppnåelse og faglige utfordringer Det norske ATLAS-prosjektet ble fullført i 2008. Det har bygget ferdig, testet og installert silisiumdetektorer for eksperimentet. Prosjektet har utdannet betydelig flere stipendiater enn det som var målsettingen. ALICE-prosjektet har også kommet med betydelige bidrag til den internasjonale byggingen av dette eksperimentet. De norske kjernefysikerne har i tillegg vært involvert i et liknende eksperiment i USA (BRAHMS) for å få erfaring med pågående virksomhet, mens LHC ble bygget. Her har de gjort viktige funn om det såkalte kvark-gluon plasmaet, som er en vesentlig, men lite utforsket form for materie. Dette vil spille en rolle ved den fremtidige kjernefysikkforskningen på CERN. Forskningen har et sterkt internasjonalt preg og gir studenter og forskere verdifull erfaring i å arbeide i et utenlandsk forskningsmiljø av meget høy kvalitet. De norske forskerne på CERN publiserer oftest sammen med de internasjonale gruppene de arbeider i. I disse publikasjonene som kommer i noen av verdens fremste fysikktidsskrifter kan det ofte være flere hundre medforfattere. I løpet av året var det også flere formidlingsaktiviteter hvor norske CERNforskere deltok. Alt i alt har programmet en meget god framdrift, og dette bekreftes i rapportene fra det internasjonale ekspertpanelet. På enkelte områder kan man faktisk bedømme de oppnådde resultater som langt over måloppnåelse. 2
Nøkkeltall, 2010 Antall prosjekter: 3 Dr.gradsstipendiater: 6,5 årsverk, herav 1,0 kvinner Postdoktorstipendiater: 10,2 årsverk, herav 0,7 kvinner Kommentarer til tallene: Med tanke på mulighetene som data fra LHC gir i årene fremover, er det sterkt ønskelig å øke antallet dr. stipend på prosjektene og spesielt stipender som allokeres fra fakultetene til instituttene ved UiO og UiB, for å høste mest mulig av de store investeringene som er gjort i eksperimentene ATLAS og ALICE. Resultatindikatorer, 2010 Avlagte doktorgrader, finansiert av programmet: 1 Vitenskapelige artikler med referee: 73 Vitenskapelige artikler uten referee: 127 Annen publisering/kommunikasjon: 27 publiserte foredrag fra internasjonale møter, 133 andre rapporter/ foredrag, 1 bok, 51 oppslag i massemedia, 11 brukerrettede formidlingstiltak, 22 allmennrettede formidlingstiltak. Kommentarer til tallene: CERN-prosjektene kan vise til betydelig vitenskapelig publisering på høyt internasjonalt nivå og stor utadrettet virksomhet. Viktigste aktiviteter i 2010 Forskningsfaglige: Hovedvekten av aktivitetene finansiert av programmet har vært klargjøring, operasjon og overvåking av eksperimentene ATLAS og ALICE ved CERN, samt rekruttering av studenter og forskere til analyse av fysikkdata fra LHC. Det er viktig å ha nødvendig ekspertise og mange rekrutter til å høste av de nye og fundamentalt viktige data som kommer fra den nye akseleratoren. Analyse av LHC-dataene har allerede resultert i en lang rekke vitenskapelige publikasjoner. Gjennom disse eksperimentene har fysikerne gjenoppdaget alle de kjente elementærpartiklene, og de har startet søket etter nye partikler (slik som det mye omtalte Higgs-bosonet) og ny fysikk. LHC forventes å gi viktige data i mange år. I 2010 har 8 dr. stipendiater (1 kvinne og 7 menn) og 13 postdocs (1 kvinne og 12 menn) vært finansiert av programmet. I tillegg arbeider et like stort antall dr. stipendiater finansiert av Frittstående prosjekter eller universitetene selv på CERN-prosjektene. CERN-forskningen foregår i det vesentlige ved de to universitetene UiB og UiO, men også Høgskolen i Bergen deltar til en viss grad i eksperimentet ALICE. 8 norske studenter fra NTNU og en rekke høgskoler (Høgskolen i Bergen, Høgskolen i Sør- Trøndelag, Høgskolen i Molde, Høgskolen i Gjøvik) har i løpet av 2010 arbeidet som teknologistudenter ved CERN, - her bidrar Forskningsrådet og studentens hjemmeinstitusjon med 50 % hver av kostnadene. Noen av disse er i tillegg fullfinansiert av CERN. 3
Kommunikasjons- og formidlingstiltak: De norske CERN-miljøene har tatt del i en rekke tiltak rettet mot formidling av denne forskningen, blant annet Master Classes i partikkelfysikk for elever i videregående skoler. Driftsrelaterte aktiviteter: Det er i 2010 avholdt to møter i styringsgruppen for de norske CERN-aktivitetene. Norge-CERN-arbeidsgruppen (med representanter fra CERNs administrasjon, de norske delegater og ILO, Norges permanente delegasjon i Genève, samt norske CERN-ansatte og brukere) hadde ett møte i 2010. De viktigste oppgavene for denne arbeidsgruppen er å finne felles tiltak som kan bidra til å øke rekrutteringen av nordmenn til CERN og forbedre norsk industriretur og teknologioverføring. Høydepunkter og funn Etter en imponerende rask og smertefri oppstart i 2009 klarte LHC i 2010 å levere millioner av proton-proton og bly-bly kollisjoner til eksperimentene, deriblant ATLAS-eksperimentet. Verdens kraftigste partikkelakselerator noensinne skapte proton-proton kollisjoner ved 7 TeV 1 i mars 2010 og bly-bly kollisjoner ved 2.76 TeV i november 2010. Forholdene har vært så gode at CERN har bestemt å kjøre LHC både i 2011 og 2012 før den stoppes for å foreta en oppgradering som skal muliggjøre høyere energier og luminositeter. Medlemmer av prosjektet Høyenergi partikkelfysikk (HEPP) har hatt ansvar innen flere områder: Klargjøring, operasjon og overvåking av ATLAS indre detektor, kontroll av datakvalitet, distribusjon av data over grid-nettverkene og fysikkanalyse. ATLAS har publisert 21 artikler i vitenskapelige tidsskrift med referee i 2010. Over 100 forskjellige analyser er gjennomført. ATLAS-teamet har gjenoppdaget noen av de viktigste partiklene i standardmodellen for partikkelfysikk, for eksempel Z 0 og W som formidler den svake kraften, og de har søkt etter Higgs-bosonet og ny fysikk. ATLAS gjenoppdaget standardmodellens partikler 1 En elektronvolt (ev) er mengden energi som tilføres et elektron når det akseleres gjennom en spenning på en volt. GeV= et tusen millioner ev, TeV= en million millioner ev. 4
I tillegg til gjenoppdagelse av standardmodellen og søk etter Higgs-bosonet har HEPPmedlemmer bidratt til flere studier av supersymmetri (søk etter kandidater for mørk materie), nye vekselvirkninger formidlet av nye Z og W bosoner, partikkelen som formidler tyngdekraften (gravitonet) og sorte hull som tegn på ekstra dimensjoner. Dette bildet av en partikkelkollisjon som resulterte i produksjon av toppkvarker viser at den indre detektoren i ATLAS, som HEPP-prosjektet har bidratt sterkt til, fungerte veldig bra! Ved å kollidere tunge blykjerner ved høy energi oppstår det like høy tetthet og temperatur som det var omtrent ett mikrosekund etter Big Bang. Ved å studere partikkelstråler i to motsatte retninger har ATLAS oppdaget stor energiforskjell mellom dem. Hadde ikke plasma vært til stede, som bremser ned den ene strålen, skulle begge strålene hatt samme energi og form. Hvis disse ferske funnene bekreftes, har LHCeksperimentene for første gang gjenskapt en av universets viktigste faser, da protoner og nøytroner ble dannet av kvarker og gluoner i plasma slik det var rundt ett mikrosekund etter Big Bang. Søndag den 7. november 2010 registrerte ALICE-eksperimentet den første kollisjonen mellom to blykjerner i LHC. Sporene av ladde partikler produsert i en kollisjon detekteres i ALICEs sentrale sporingssystem og rekonstrueres i sanntid i høynivå-triggersystemet (se figuren under). Dette markerte begynnelsen av en ny æra ved LHC undersøkelsen av det lille Big Bang. 5
En av de første bly-bly- kollisjoner registrert i ALICE og rekonstruert i sanntid. Et første blikk på dataene antyder at stoffet produsert i kollisjoner mellom blykjerner virkelig kan betegnes som materie: det viser nemlig de samme makroskopiske egenskaper som en væske. Stoffet synes å være av partonisk 2 natur, fordi partikkelskurer (jets), som stammer fra partoner som traverserer den tette materien, blir undertrykt (se figuren under). Så langt har ALICE utgitt fem publikasjoner om bly-bly- og seks om proton-proton-kollisjoner. Di-jet-undertrykkelse i ALICE: partikkelskuren til høyre har tapt energi på veien gjennom den tette materien. Innen formidlingsarbeid var det i 2010 igjen rekordhøyt deltakerantall i IPPOGs årlige Master Classes: Hands-On-Cern (IPPOG: International Particle Physics Outreach Group). Hele 300 videregående skoleelever i Bergen og Oslo deltok på arrangementet. Nasjonale Master Classes ble for første gang arrangert ved Teknisk Museum i Oslo, og for første gang jobbet studentene med ekte LHC-data og gjenoppdaget Z-partikkelen. HEPP-medlemmer arrangerte i april 2010 det 26. IPPOG møtet. Dette skjedde på et annet museum Norsk Folkemuseum. 2 Partoner er kvarker og gluoner, som er de fundamentale byggesteinene i kjernepartiklene protoner og nøytroner 6
MasterClass ved Teknisk Museum. For første gang ble det brukt ekte LHC (ATLAS) data. Studentene gjenoppdaget Z-partikkelen ved 90 GeV masse. IPPOG International MasterClasses har i løpet av 2010 innført helt nye eksperimenter som tar i bruk ekte LHC data. Oslo har utviklet Z-masse-pakken og har stått for tekst, øvelser, klargjøring av kollisjonsdata og tekniske løsninger for denne nye modulen. Modulen inngår i MasterClasses 2011, hvor 110 institusjoner og over 6000 videregående skoleelever deltar. https://kjende.web.cern.ch/kjende/en/zpath.htm Industrikontrakter Norge har i 2010 økt antallet industrikontrakter med CERN. Fortsatt er den industrielle returen for lav, og stadig flere av medlemslandene befinner seg i samme situasjon. CERN arbeider med å få en mer rettferdig industriretur mellom medlemslandene. Samtidig er det store utfordringer knyttet til at en stor andel av industrikontraktene tilfaller vertsnasjonene (Frankrike og Sveits). En av årsakene til dette er at en del leveranser (f.eks. strøm) og noen servicekontrakter (f.eks. renhold og vakthold) hovedsakelig tilfaller lokale bedrifter. Denne skjeve fordelingen blir forsterket når LHC nå går over fra byggefasen til driftsfase. CERN har opprettet bilaterale arbeidsgrupper med hensikt å forbedre returen til land med særlig dårlig industriretur. Norge er med i en slik arbeidsgruppe som består av representanter fra CERNs administrasjon, de norske delegater og ILO, Norges permanente delegasjon i Genève, samt norske CERN-ansatte og brukere. Arbeidsgruppen ble etablert i 2008 og vil fortsette sitt arbeide i 2011. LHC skaper så mye kollisjonsdata at CERN innen 2 år må gå til anskaffelse av et nytt datasenter, og CERN vurderer sterkt å legge dette nye datasenteret til et annet medlemsland enn vertslandene. Norge har hatt en aktiv rolle i denne prosessen siden 2007. Sommeren 2010 inviterte CERN alle medlemsland til å komme med forslag til ulike plasseringer og utforming for et slikt datasenter. Totalt ble det innlevert 24 forslag fra 9 forskjellige medlemsland. Norge 7
sendte totalt 7 tilbud, fra henholdsvis Rennesøy, Luster i Sogn, Halden, Raufoss, Narvik og to fra Rjukan. Norge har spesielle konkurransefortrinn som har lave energikostnader, og kalde fjorder og vannmagasiner muliggjør energieffektive kjøleløsninger. Eksperter fra CERN har besøkt samtlige av de norske tilbyderne. Sommeren 2011 vil CERN gå ut med en anbudskonkurranse for datasenteret, som vil bli avgjort sent i 2011. Rekruttering og teknisk studentprogram I 2010 var det 12 norske faste ansatte på CERN. Antall norske ansatte har gradvis sunket og tallet er nå bekymringsfullt lavt. Det er flere årsaker til dette lave tallet, blant annet høy sysselsetting og høye lønninger i Norge. En annen årsak er at mange norske ansatte ved CERN velger å flytte hjem når de planlegger å få barn. De sosiale betingelsene for familier er langt bedre i Norge enn i Sveits og Frankrike. Det er dessuten vanskelig for par å få jobb til begge i Genève-området. Hovedstrategien for å øke antallet faste norske ansatte er å få et høyt antall teknologistudenter og fellows (traineer) til CERN, og deretter få et antall av disse over i faste stillinger. Norge har øremerket midler for å øke antallet teknologistudenter, ved at en del av oppholdet på CERN dekkes av Norge. I 2010 hadde Norge 8 tekniske studenter, 2 doktorgradsstudenter og 7 fellows ved CERN. Ved disse programmene får Norge en langt høyere uttelling enn vårt medlemsbidrag skulle tilsi, og det er å håpe at et stort antall nordmenn i disse programmene vil føre til et større antall nordmenn i faste stillinger på sikt. CERN har i løpet av året deltatt på rekrutteringsarrangementer på NTNU, UiO og HiST. På disse arrangementene deltar nordmenn som jobber på CERN sammen med ansatte fra CERNs HR-avdeling for å presentere arbeidsmulighetene ved CERN. Teknologioverføring I 2008 ble det underskrevet en MOU mellom NTNU og CERN, som innebærer at NTNU har mulighet til å sende hele kullet fra mastergradsprogrammet i entreprenørskap til CERN for et idésøkseminar. I tillegg gis NTNU Entreprenørskap mulighet til å sende 1 til 2 studenter for et års opphold i teknologioverføringsavdelingen ved CERN. Idésøkseminaret går ut på at studenter i samarbeid med forelesere og forretningsutviklere identifiserer egnede CERNteknologier som utgangspunkt til å starte opp bedrifter. Det utføres teknologiundersøkelser og markedsundersøkelser, og resultatene sammenfattes i en rapport. Idésøksseminaret ble i 2010 avholdt 1-5. november, og totalt deltok 21 studenter og 4 veiledere fra NTNU. 5 CERNteknologier ble evaluert, og det ble funnet interessante markedspotensialer for noen av disse. En norsk bedrift har i 2010 lisensiert en CERN-teknologi innenfor medisinsk billedbehandling. 8