Snart starter Cern på nytt partikkelakseleratoren LHC (Large Hadron Collider) etter å ha vært stengt for oppgradering og vedlikehold i to år. Oppgraderingen har kostet nesten en milliard kroner.

Cern-fysikerne er i full sving med å forberede seg på å sende hydrogenkjerner (protoner) mot hverandre i hastigheter opp mot lysets hastighet og få dem til å kollidere ved rekordhøye energier.

Dobbelt så høy energi

Akseleratoren er rustet opp til å kjøre ved nesten dobbelt så høye energier som i 2012, da forskerne fant Higgs-partikkelen. Ingeniørene ved Cern har kalt den første runden for akseleratorens jomfrutur, og mener at maskinen først nå er klar for å vise hva den virkelig kan.  

Forskere over hele verden venter i spenning på at den oppgraderte akseleratoren skal komme i drift. Det er noen av universets dypeste mysterier forskerne vil avdekke i de planlagte eksperimentene. 

For mange fysikere står det mye på spill: Enten vil man få bekreftet etablerte og populære teorier, for eksempel om supersymmetri og mørk materie, og kan ta nye steg inn i dette feltet av fysikken. Eller man vil måtte innse at vi har mye mer å lære om hvordan universet henger sammen.

Vet ikke hva eksperimentene bringer

– Vi er i ferd med å bevege oss inn i helt nye områder av fysikken. Denne gangen vet ikke forskerne helt hva de nye eksperimentene vil bringe. Men at LHC-eksperimentene vil føre fysikken et langt skritt videre, er ingen i tvil om, sier professor Farid Ould-Saada ved Universitetet i Oslo.

Han leder den norske forskningsinnsatsen ved Atlas-detektoren ved Cern. Norske forskere og studenter fra universitetene i Oslo og Bergen har lett etter supersymmetri, mørk materie, nye fundamentale krefter og nye dimensjoner ved Cern i mange år.

Dette er noen av spørsmålene vi kan få svar på når Cern starter LHC igjen:

Holder Standardmodellen?

Standardmodellen – teorien om hvordan fundamentale partikler og elektromagnetiske, sterke og svake krefter henger sammen – ble satt sammen til én teori etter en rekke gjennombrudd av en rekke kjente fysikere mot slutten av 1900-tallet.

Den siste biten av puslespillet – Higgspartikkelen – ble funnet ved Cern i 2012. I dag er fysikerne så sikre som de kan bli på at teorien holder. Universet er stabilt, og vi forstår byggeklossene og kreftene og hvordan de virker sammen. 

Spørsmålet er om Standardmodellen holder ved høyere energier, slik Cern nå vil teste. Nye funn ved kan med andre ord bekrefte Standardmodellen på nytt, eller slå beina under den. Og holder ikke Standardmodellen, kan det hende at verden ikke henger sammen slik vi tror.

– Det kan også hende vi finner noe helt nytt og uventet, som vil snu opp-ned på det vi tror vi vet, sier professor Alexander Read ved Universitetet i Oslo.  

Hvor er supersymmetri?

Ideen om supersymmetri går ut på at alle partikler vi kjenner, har en partner vi ikke ser. Teorien er at denne supersymmetriske tvillingpartikkelen er tyngre enn partneren sin, så tung at ingen detektorer hittil har oppdaget den.

Men med Cerns oppgraderte detektorer og eksperimenter ved høyere energier, er sjansene for å finne tunge partikler mye større. Å finne partneren til en av de lettere partiklene burde være innenfor rekkevidde til den oppgraderte partikkelakseleratoren, mener supersymmetri-forskerne.

Supersymmetri er en idé som forskerne håper kan oppklare flere av de store mysteriene i moderne fysikk: Hvorfor er Higgsbosonet, som ble funnet i 2012, så lett? Hva er mørk materie – kanskje består det nettopp av en av disse tunge tvillingpartiklene vi ikke har sett ennå? Og hvorfor finnes det mer materie enn antimaterie i universet?

Hvis dataene fra de nye eksperimentene ved Cern bekrefter teorien om supersymmetri, kan det bringe oss nærmere det forskerne kaller «en teori om alt». Skulle derimot de nye eksperimentene ikke finner spor av supersymmetriske partikler, så må kanskje fysikerne forkaste hele teorien og gå tilbake i tenkeboksen igjen for å komme opp med noe helt annet.

Hva er mørk materie?

Mørk materie er et av de store mysteriene i moderne fysikk. Vi mennesker kjenner bare til omtrent 5 prosent av det universet består av. 95 prosent av det som omgir oss, er mørk materie og mørk energi, som vi ikke kan se med det blotte øyet, og forskerne har heller ikke hatt metoder eller instrumenter til å gjøre nærmere studier av den.

De fysiske lovene slår fast at det må være noe der – noe må holde galaksene sammen og holde materien vi ser, på plass – ellers ville galaksene flydd fra hverandre. Skal vi endelig få håndfaste bevis for hva mørk materie er og finne ut mer?

Lever vi i et ustabilt univers?

Ifølge superstrengteorien – en hypotetisk modell som ser på partikler som små strenger – er det mulig at det finnes nye fundamentale krefter og nye kraftpartikler. Dessuten åpner teorien for at det kan eksistere flere ekstra romdimensjoner – så mange som seks ekstra dimensjoner!

Hvis disse ekstra dimensjonene eksisterer, bør det være mulig å finne gravitonet – partikkelen som er ansvarlig for tyngdekraften på mikroskopisk nivå. Kanskje vi lever i et ustabilt univers? Kanskje er vårt univers bare et av mange universer – hvert med sine egne fysiske lover?  

Hva er kvark-gluon-plasma?

Kvarker er elementærpartikler som ikke kan deles opp i mindre byggesteiner. De er bundet sammen til protoner og nøytroner av den sterke vekselvirkningen, en av fysikkens fire grunnleggende krefter. Det er gluonene som formidler denne kraften. Prøver man å rive kvarkene fra hverandre, blir kraften bare sterkere.

Selv om mye av fysikken knyttet til den sterke kjernekraften er kjent, er det to fundamentale spørsmål som ennå ikke er avklart: Hvorfor er kvarkene innesperret i kjernepartikler? Og hvilken mekanisme genererer partiklenes masse?

Ifølge teorien vil kvarker og gluoner ikke lenger være innesperret i kjernepartikler hvis temperaturen blir høy nok. I stedet vil de eksistere i fri tilstand i en ny materieform som kalles kvark-gluon-plasma. En slik faseovergang vil skje når temperaturen overstiger en kritisk verdi, som er anslått til omtrent 2000 milliarder grader – omtrent 100 000 ganger varmere enn solens kjerne. 

Slike temperaturer har ikke eksistert i naturen siden det umiddelbare øyeblikket etter universets opprinnelse. Forskerne tror temperaturen var så høy som dette i noen milliondels sekunder etter Big Bang, og at hele universet da befant seg i en kvark-gluon-plasma-fase.

Ørsmå mengder av slik materie kan gjenskapes ved Cern når forskerne lar tunge atomkjerner, som blyioner, akselereres av LHC og kollidere front mot front med en hastighet nær lysfarten. Ved detektoren Alice utforskes fysikken bak fenomenet innesperring, egenskapene til vakuum og hvordan masse genereres i den sterke vekselvirkningen, for å få et glimt av hvordan materien oppførte seg umiddelbart etter Big Bang.

Nye fundamentale partikler?

Partikkelakseleratoren LHC er en 27 kilometer lang tunnel mer enn 100 meter under bakken i grenseområdet mellom Sveits og Frankrike. I akseleratoren sendes klynger av protoner som stråler gjennom tunellen. 

To stråler sendes hver sin vei, og magneter langs hele tunellen sørger for at protonstrålene bøyes av mens farten akselereres opp til en hastighet opp mot lysets hastighet. Deretter lar man to stråler kollidere ved fire punkter langs LHC-tunellen, der detektorene Atlas, Alice, CMS og LHCb ligger.

Protonene smadres i enda mindre biter – i kvarker, gluoner og andre partikler. På kontrollskjermene kan forskerne se restene av kollisjonene fly til alle kanter. Og i disse restene kan man se spor som forteller hvilke partikler som har vært der i øyeblikkene før.

Slik så forskerne spor etter Higgs-partikkelen i 2012, og partikkelen som inntil da bare var en teoretisk størrelse, var observert og eksistensen bevist. Når forskerne ved Cern nå skal operere ved enda høyere energier, vil man kunne gjenskape tilstandene som eksisterte i universet på et tidspunkt enda nærmere Big Bang.

Kanskje vil kollisjonene føre til at vi ser spor av nye fundamentale partikler.