- Del 1. 450 Gigaelektronvolt mot universums skapelse
- (Tidigare publicerad i tidningen Nätverk och Kommunikation 2003)
- Del 2. Här ska universums hemligheter avslöjas
- (Tidigare publicerad i tidningen Nätverk och Kommunikation 2003) - Del 3. Andra gången gillt för LHC
- (Nyskriven och tidigare opublicerad)
Med knäppta händer och blicken nedslagen träder vi in på Cern i Meyrin nära Genève i Schweiz. Det känns högtidligt att komma in på grundforskningens allra heligaste domäner. Vi försjunker i stilla meditation men blir snart omhändertagna av en präst, förlåt en guide, som för oss vidare till kontrollcentralen för Super Proton Synchrotron (SPS) i Prevossin, en kort bit in på franska sidan.
- Hög tillgänglighet. Allting ska gå dygnet runt, året runt. Underhållet måste kunna ske transparent utan att systemet störs och utan någon förlust av larm eller loggdata.
- Hög säkerhet. Endast behöriga ska kunna arbeta med systemet, och de olika användarna ska tilldelas korrekta rättigheter.
- Höga prestanda. Användarna vill ha snabb respons, och systemet ska kunna hantera skurar av larm.
- Hög skalbarhet. Det ska kunna klara en stor och växande användarskara och kunna skalas upp när systemet växer med LHC.
- Kompatibilitet med standarder. Systemet måste stödjas av många. Öppen kod, med andra ord.
SPS är en lagringsring som funnits på Cern sedan 1967. Då byggdes den som en mellanlagringsenhet för protoner och joner till LEP, den stora 27-kilometersringen. Båda ringarna ligger i tunnlar 100 meter ned i marken och sträcker sig mellan Schweiz och Frankrike. LEP är numera ersatt av Large Hadron Collider, LHC, som ska bli världens kraftigaste accelerator.
(När artikeln skrevs var LHC under konstruktion).
SPS är 2,2 kilometer i diameter, får inkommande protoner från en mindre ring (PS) med 14 gigaelektronvolt och accelererar upp dem till 450 gigaelektronvolt för vidare befordran till LHC. Inte nog med det, den klumpar ihop protonerna i 7 centimeter långa paket innehållande ungefär 2 miljarder protoner vardera med en tusendels millimeters diameter.
Utöver LHC finns det en mängd andra experiment anslutna till SPS som förbrukar protoner. Cirka 2 000 forskare i en stor industrianläggning ägnar sig åt att krocka protoner i olika hårda mål och studera partikelskurarna som blir resultatet av det.
0,001 millimeter tjock är protonstrålen.
Ringen kan delas in i tre system: ringen själv: ett vakuumrör med några centimeters diameter och dess avböjnings- och fokuseringsmagneter, acceleratorer och vakuumpumpar, drivelektroniken, nätaggregaten och HF-generatorerna och slutligen styrsystemen, datorerna som kör styrprogramvaran. De order styrsystemet ger är dels en återkoppling från protonstrålen, dels resultatet av vad teknikerna i de anslutna experimenten vill (accelerera strålen, mata in nya protoner, hämta ut de accelererade protonerna).
Alla protoner börjar sitt liv i en linjäraccelerator.
C++ är partiklarnas bästa vän
När man hanterar något som inte syns, färdas med ljusets hastighet och har en energi motsvarande en jumbojetmotor inuti en apparat för flera miljarder kronor, gäller det att kunna reagera på en nanosekund. Kontrollcentralen ansvarar för partiklarnas acceleration och kvalitet.
INGA GRÄNSER GÄLLER HÄR. De båda lagringsringarna LHC och SPS är enorma, och sträcker sig mellan Schweiz och Frankrike. Cerns huvudkontor ligger i Meyrin nära Genève. Du ser väl flygplatsen?
SPS är en åldring i sammanhanget och har ständigt uppgraderats. Hittills har man kört C++ i Unix-miljö, men då man ska börja förse LHC med partiklar år 2007 uppgraderas även programvaran. Valet föll på Java och virtuella Javamaskiner. Då kan man gå bort från X som visningssystem och arbeta enbart med webbläsare med Java-tolkar. Billigare och enklare.
Körmiljön för Javaprogrammen är viktig. Man har kört med J2EE som applikationsservrar hittills, men det verkar som om Oracles 9iAS blir den miljö man kommer att satsa på. Den är inte bunden till något operativsystem, men HP-UX och Linux ligger bra till. Om man i korthet ska beskriva en applikationsserver, så är det en slags förvuxen Javamaskin med inbyggda övervakningsmöjligheter, ett säkerhetssystem och interprocesskommunikation.
Hundratusentals parametrar
Vad gör personalen med styrsystemet? Det finns flera klasser av personal med olika rättigheter. Operatörerna styr strålen och stämmer av den (det är högfrekvens) så att den får bästa möjliga egenskaper för de fysiska experimenten, och undersöker strålens kvalitet. Strålen styrs genom att olika parametrar i systemet förändras hela tiden (magnetkrafter, frekvenser med mera), flera hundratusentals parametrar, som lagras i en databas.
Fysikerna använder sig också av styrsystemet, men de har bara begränsade rättigheter och kan bara förändra experimenten inom sina egna områden. Systemet måste hålla reda på deras rättigheter så de inte kan förändra parametrar de inte har rätt till. För närvarande är det J2EE som står för funktionerna, tillsammans med Oracles databashanterare.
Så styrs SPS på Cern – det är en makalös manick!
Anläggningen finns både ovan och under jord. Det finns sex likadana hus utmed ringen med drivutrustning, men bara en kontrollcentral. Lågenergetiska protoner kommer in med 14 gigaelektronvolt energi och lämnar ringen för vidare befordran till LHC med 450 gigaelektronvolt. Notera att man använder MIL-STD 1553 flygplansbuss för att föra ned och ta upp data från underjorden. Runt ringen sitter ”the Lattice”, en ständigt upprepad följd av avböjare och fokuserare. Dessutom vakuumpumpar och massor av sensorer. Ringen kan dessutom värmas för att gasa ut lagrade luftmolekyler så att vakuumpumpningen går fortare. Strålkännarna, sensorerna som rapporterar strålens form och läge, är märkliga enheter. The Closed Orbit Dipole är en liten avböjare som används för att ge strålen en sista kompensationsknuff en gång per varv, så att omloppsdiametern är densamma.
Drivning ovan jord i SPS: högfrekvensenergi på 200,2 megahertz
SPS förbrukar en del ström, och den första bilden visar ett av ställverken i drivhallen, som matar ström till anläggningen. Mittbilden visar ett datorstyrt kraftaggregat (converter), som används för att mata avböjningsmagneterna med allt mellan 1 och 5 000 ampere. Klystronerna, till höger, genererar den högfrekvensenergi på 200,2 megahertz som används i acceleratorerna runt ringen. De orange rören är vågledare som för ned energin till ringen. Den stora burken som det står Siemens på är själva elektronröret, som det totalt finns ett hundratal av.
Datorcentral à la France med gigantisk styrförmåga
Här är det franskt, med murriga, konstnärliga tapeter (uppe till vänster). Runt hörnet finns datorhallen, en samling maskiner av varierande datum. Själva strålkontrollen sker från det visade rackskåpet. Man försöker just nu med Red Hat Linux (bilden nere till vänster). Det är här som Oracles 9iAS kan hamna. Kontrollcentralen kopplar till den övriga anläggningen med fiberväxlar (mittenbilden). Slutligen le säkerhetspanel, som används för att förhindra att strålen kan köras igång med personal i tunnlarna.
Med programmet SPS_orbit övervakar man strålens position runt det sju kilometer långa röret. Avvikelserna visas i de horisontella fönstren. Fullt utslag är +/– 7,5 millimeter, så det är inga stora avstånd. Programmet är ett C++-program som körs mot X-Window.
Till gagn för hela världen
Cern är en hel industri som förbrukar enorma mängder elenergi och bara producerar små osynliga partiklar, men som i gengäld för människan närmare en förståelse för naturens innersta beståndsdelar och de krafter som håller samman universum. I Cern slipas världens skarpaste hjärnor i konfrontation med kosmiska krockar.
» SÅ GÅR DU VIDARE
Informationsmängden på Cerns webbplats: public.web.cern.ch/public är enorm.
Läs om experimenten på Cern Här.
Världen omkring oss är som bekant uppbyggd av atomer. Atomer består av elementarpartiklar, som elektroner, protoner och neutroner. Så långt fick man lära sig i skolan. Forskarna har visat att neutroner och protoner, som ingår i gruppen hadroner, är sammansatta av delpartiklar kallade kvarkar. Kvarkarna hålls samman av en kraft som kan uttryckas som en klisterpartikel, gluonen.
Elektronen som går i sin bana runt atomkärnan hålls kvar av en annan kraft, som förmedlas av fotonen, ljuspartikeln. Fotonen överför en kraft, elektromagnetismen (ofta i form av ljus eller radiovågor), men är själv utan massa. Neutrinon överför nästan ingenting alls och har väldigt liten massa, medan andra partiklar, W- och Z-bosonerna som har samband med radioaktivt sönderfall, har mycket stora massor.
Varför har olika partiklar olika massor? Higgs-fältet är ett hypotetiskt kraftfält som genomflyter hela universum, och det skulle kunna vara partiklarnas samverkan med detta fält som ger dem massa. Samverkan, alltså massan, förmedlas av ännu en partikel, Higgs-bosonen. Partiklar som inte samverkar, som fotoner, har därför ingen massa. När partiklar (hadroner, som alltså samverkar) krockas i LHC kommer sådana energier att finnas tillgängliga att Higgs-partikeln kan skapas och studeras. Händer detta kan man verifiera varför saker och ting har massa. Man tänker sig också att vid tillräckligt höga energier är de olika krafterna i universum, de inuti atomen, den elektrosvaga och den elektrostarka kraften, gravitationen och elektromagnetismen, egentligen en och samma kraft som bara visar sig på olika sätt, förmedlade av Higgs-bosonen.
Nere under jorden ligger den stora ringen, 2,2 kilometer i diameter. Medan protonerna löper runt, accelereras de i sektioner som den till vänster (översta bilden). Du ser de orange vågledarna som kommer ned och ansluts till enheten. Men protonerna går inte runt ringen om de inte avböjs, och det sker i dipolmagneter som den röda i mittbilden. Strålröret kommer in från höger och de stora ”läpparna” är spolar som alstrar det lodräta magnetfältet. Strålen fokuseras i sextupoler som den crèmefärgade i mitten eller kvadrupoler som den blå till höger (bilden längst ner).
