Verdens største maskin får en gigantisk storebror

En liten flokk protoner er på vei mot en dramatisk skjebne. Med radiobølger pumper forskerne mer og mer energi inn i flokken, som beveger seg gjennom det smale røret med nesten lysets hastighet.

I et annet rør – bare noen få centimeter unna – suser en identisk gruppe rundt i motsatt retning. Når de to gruppene passerer enorme detektorer, lar fysikerne dem dundre rett inn i hverandre med en kraft som ikke kan matches av noen annen maskin i verden.

Protonene pulveriseres, og detektorene forsøker nå å identifisere hvilke nye og eksotiske partikler som oppstår i skyen av de ødelagte protonene.

Slik har fysikerne ved det det store europeiske laboratoriet for kjerne- og partikkelfysikk, CERN, igjennom flere tiår undersøkt universets aller minste bestanddeler.

Siden 2009 har de brukt den mektige LHC-akseleratoren, som på mange punkter har vært en stor suksess, men på ett avgjørende punkt har selv verdens største partikkelakselerator kommet til kort.

Allerede da forsøkene begynte, håpet fysikerne at de energirike kollisjonene i LHC ville skape den teoretiske mørke materien, som er avgjørende for at astronomene kan forklare hvordan galaksene kan rotere så raskt uten å kaste stjernene ut til alle kanter.

Men mørkets partikler har ikke dukket opp, og derfor planlegger CERN nå – sammen med 70 forskningsinstitusjoner verden over – å bygge framtidens akselerator, Future Circular Collider (FCC).

Den gigantiske maskinen skal ha en omkrets på 100 kilometer og vil kunne smadre protoner med sju ganger større kraft enn det LHC kan prestere.

Usynlige tvillinger redder teori

Da forskerne ved LHC fant higgspartikkelen i 2012, var det en virkelig monumental oppdagelse. Partikkelens eksistens er nemlig det definitive beviset for at historiens mest omfattende og vellykkede fysiske teori, standardmodellen, er korrekt.

Standardmodellen er en fortegnelse over de såkalte elementærpartiklene. De kan deles inn i to typer – byggesteinene til atomene og partiklene som overfører krefter.

Cerns kjemperinger har vokst raskt gjennom 60 år

Forskerne ved CERN studerer atomenes minste bestanddeler ved å skyte partikler rett inn i hverandre ved høye hastigheter og deretter undersøke fragmentene. I takt med at fysikerne har jaktet på enda sjeldnere partikler, har energien i forsøkene vokst – og dermed også størrelsen på ringene.

Blant byggesteinene finnes det tolv partikler: seks ulike kvarker, tre typer elektroner og tre typer nøytrinoer. Med disse grunningrediensene kan vi lage alle atomer i universet.

Standardmodellen beskriver også tre av de fire fundamentale naturkreftene – den elektromagnetiske kraften, den sterke kjernekraften og den svake kjernekraften, som har sine egne kraftpartikler.

Den mest kjente er fotonet, som er partikkelen som overfører den elektromagnetiske kraften. Men forskerne har ikke kunnet finne noen kraftpartikkel som kan formidle den fjerde kraften, tyngdekraften.

Fysikerne har derfor utviklet kvantegravitasjonsteorier der gravitasjon mellom legemer oppstår via utveksling av kraftpartikler som kalles gravitoner.

Men teorien går bare opp hvis det til hver av elementærpartiklene hører en usynlig tvilling.

Det innebærer at standardmodellens atombyggesteiner – som for eksempel kvarker – må ha kraftoverførende tvillinger som kalles skvarker, mens kraftpartikler som for eksempel et foton må ha byggestein-makker som kalles en fotino.

Det var disse tvillingpartiklene fysikerne håpet at LHC ville finne.

Et funn av tvillingpartikler ville ikke bare bane vei for en teori som kan forklare alle fenomener i universet, men også være bevis på at den mørke materien finnes, og dermed løse et stort problem for astronomene.

De kan nemlig ikke forklare hvordan stjernene kan ha en så høy fart i banene rundt galaksenes sentrum uten å bli kastet ut – med mindre tyngdekraften fra en usynlig mørk materie holder dem fast.

LHC har ikke krefter nok

I fysikk er masse og energi to sider av samme sak. Jo tyngre partikler er, jo høyere energi har de, og derfor måles partiklers masse ofte i energienheten gigaelektronvolt (GeV).

Etter å ha analysert milliarder av protonsammenstøt i LHC har fysikerne nådd fram til at tvillingpartiklene må ha en masse på minst 1–2000 GeV.

Men jo tyngre partiklene er, jo mer energi krever det også å frambringe dem i akseleratorene. Det er usikkert om LHC kan produsere så tunge partikler – higgspartikkelen veier for eksempel bare 125 GeV.

Derfor trenger fysikerne en ny gigantisk akselerator som kan levere mye mer energi.

Higgspartikkelen skal finstuderes

FCC-akseleratoren skal først stå ferdig i 2035, men allerede nå har CERN nedsatt en prosjektgruppe som skal utvikle den kommende kjempemaskinen.

Detaljene er fortsatt sparsomme, men det er mye som tyder på at akseleratoren skal bygges i en tunnel som får en omkrets på 100 kilometer.

Den enorme størrelsen skyldes at partikler med ladning, som protoner, sender ut stråling når de beveger seg i krumme baner, og dermed mister de energi.

Den store omkretsen reduserer krummingen og dermed energitapet, noe som reduserer den energimengden som må pumpes inn i partiklene mens de suser rundt i ringen.

Ifølge nestlederen i FCC-prosjektgruppen, Frank Zimmermann, vil tunnelen høyst sannsynlig ende med å inneholde mer enn én akselerator.

Først vil ingeniører antagelig få i oppgave å bygge en elektronakselerator, der elektroner skal kollidere med antipartiklene sine, som kalles positroner.

Sammenstøtene mellom elektroner og positroner er enkle fordi de ikke er sammensatt av mindre partikler. Ved sammenstøtene omsettes elektronene til ren energi, som deretter blir til partikler.

Derfor er kollisjonene renere og lettere å analysere, og det gjør en elektronakselerator godt egnet til presisjonsmålinger.

Den nye maskinen vil kunne produsere millioner av higgspartikler, mens LHC i hele sin levetid fram til 2035 bare vil frambringe omkring tusen av dem.

En higgspartikkel er den elementærpartikkelen som er ansvarlig for at alt i universet har masse. Fysikerne vet at higgspartikler binder seg til de andre elementærpartiklene, og at partikkelens masse er avhengig av hvor sterk denne koblingen er.

Elektroner binder seg for eksempel til higgspartiklene med en beskjeden kraft og har dermed liten masse, mens kvarker er tyngre fordi de har en kraftigere kobling.

Med den nye maskinen får fysikerne muligheter for å finstudere koblingsmekanismen.

Etter noen år vil elektronakseleratoren bli plukket ned og erstattet av en protonakselerator. Protoner har den fordelen at de har 2000 ganger større masse enn elektroner og kan levere mye mer energirike kollisjoner.

I motsetning til elektronakseleratoren kan den brukes til å fange opp nye partikler. Ved hjelp av protonsammenstøt kan fysikerne oppnå en rekordhøy kollisjonsenergi på 100 000 GeV, noe som kanskje blir nødvendig for å produsere tvillingpartiklene.

Ulempen ved protonakseleratorer er at det er vanskelig å analysere sammenstøtene. Protoner er sammensatt av mindre byggesteiner – kvarker og kraftpartiklene som kalles gluoner, og derfor er skyen av partikler som spres i kjølvannet av en protonkollisjon, mye mer kompleks enn ved elektroner.

Hvis akseleratoren finner tvillingpartikler, vil det være århundrets oppdagelse, siden det med ett slag vil løse en rekke plagsomme problemer i både fysikken og astronomien.

Hvis FCC derimot ikke finner den mørke materien, vet forskerne at tvillingpartiklene ikke finnes, ettersom de i så fall ville være for tunge.

Så selv enda et feilslått forsøk på å finne mørkets partikler vil føre forskerne et langt skritt nærmere en tilfredsstillende teori for hva mørk materie egentlig er.