Ny akselerator skal gjenskape Big Bang på jorda

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.

Jakten på den mystiske mørke materien

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. 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 nok krefter

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.

Det foreligger fortsatt bare noen få detaljer om byggeprosjektet, men ifølge lederen for prosjektgruppen, Frank Zimmermann, vil den 100 kilometer lange tunnelen trolig komme til å inneholde to ulike akseleratorer.

Hvorfor det er planen, kan du lese mere om i Illustrert Vitenskap nr. 12, der du også får forklaringen på hvordan forskerne vil oppdage den mørke materien når den ikke kan fanges opp av noen menneskeskapte måleapparater.

Neste skritt

Vil du ha mer fysikk? Med et abonnement på Illustrert Vitenskap blir du veiledet trygt gjennom fysikernes fascinerende verden – fra de minste elementærpartikler til de tyngste sorte hull. Bestill i dag, så svarer vi med med et knalltilbud:

• Adgang til alle våre e-magasiner, bl.a. National Geographic, Bo Bedre og Gjør Det Selv
• Et sett lekre trådløse høretelefoner fra Vinyl Tech
• To utgaver av Illustrert Vitenskap

Og du får faktisk hele pakken til beskjedne 59,50 kroner – du sparer 507 kroner.