Large Hadron Collider (LHC) er verdens største akselerator. Fysikere er allerede nå i ferd med å forske på hvordan arvtakeren skal bygges. (Foto: CERN)
Large Hadron Collider (LHC) er verdens største akselerator. Fysikere er allerede nå i ferd med å forske på hvordan arvtakeren skal bygges. (Foto: CERN)

«Et stort beist»: CERN planlegger neste versjon av verdens største maskin

Verdens største og kraftigste akselerator, Large Hadron Collider ved CERN, har bare vært i bruk siden 2010, men arvtakeren er allerede under planlegging. Men hva får vi for pengene?

Published

Historien kort

Large Hadron Collider (LHC) er verdens største og kraftigste akselerator.

Forskere holder for tiden på å planlegge hvilken maskin som skal være arvtaker etter LHC og arbeider med to mulige forslag.

Fremtidens akselerator skal sparke inn døren til ukjente deler av universet.

Higgs-partikkelen

Higgs-partikkelen er en fundamental partikkel som gjør at alle andre partikler har masse.

Higgs-partikkelen spiller derfor en sentral rolle i forståelsen vår av hvorfor universet ser ut som det gjør.

Higgs-partikkelen ble forutsagt allerede i 1964.

I 2012 annonserte forskere fra CERN at de med 99,9 prosents sikkerhet hadde funnet Higgs-partikkelen.

Senere eksperimenter har bekreftet funnet.

Referanse: Københavns Universitet

Hva betyr ordene?

Verden omkring oss er bygget opp av små byggesteiner som kalles atomer.

Men et atom er selv bygget opp av enda mindre byggesteiner – elementærpartikler – inkludert:

Protoner, som har en positiv elektrisk ladning

Elektroner, som har en negativ elektrisk ladning

Nøytroner, som er elektrisk nøytrale

Antipartikler er identiske med «vanlige» partikler – bortsett fra at de har en i motsetning til ladning.

Forskerne har gjennom en årrekke vært i stand til å gjennomføre forsøk med antipartikler som positronet og antiprotonet.

LHC skal få oppgradering

Higgs-fabrikken Large Hadron Collider (LHC) skal ha en ansiktsløftning til en verdi på 950 millioner sveitsiske franc – om lag 8,2 milliarder kroner.

Forskere og ingeniører er allerede i full gang med å bygge og planlegge den nye og forbedrede innmaten til verdens største maskin.

– Vi har nå planene klare til en stor oppgradering av LHC. Det vil innebære at LHC kan produsere ti ganger så mye data, forteller Paul Collier, som er leder av strålingsavdelingen ved CERN.

Planene er kjent som High-Luminosity LHC, og hvis alt går som planlagt, skal den oppgraderte versjonen stå klar til bruk i midten av neste tiår.

– For tiden er vi i byggefasen, og vi vil installere de nye delene på midten av 2020-tallet, slik at vi kan starte den fullt oppgraderte maskinen omkring 2026, sier Collier.

– Det er en spennende tid for oss, for det vil bety enorme endringer av maskinen, legger han til.

Enda flere oppdagelser på vei

Oppgraderingen av LHC har vært underveis i flere år. Først gjennom en fire år lang designfase, der oppgraderingen ble planlagt av forskere og ingeniører, og siden 2015 har CERN inngått kontrakter med bedrifter som kan bygge den nye innmaten.

Oppgraderingen skal gjøre LHC i stand til å produsere og studere enda flere eksotiske partikler.

– LHC er en oppdagelsesmaskin. Vi kan se alt det som ligger innen en rekkevidde av en energi på opp til noen få teraelektronvolt.

– Men til syvende og sist er det alt sammen begrenset av statistikk, forstått på den måten at hver gang to protoner rammer hverandre, kan det skje mange forskjellige ting. Det er en bestemt sjanse for at det vil bli produsert en Higgs-partikkel eller noe annet eksotisk. Men det er mye mer sannsynlig at det ikke vil bli produsert annet enn «søppel». 99,9 prosent av kollisjonene produserer ikke noe av interesse, forklarer Collier.

Ifølge CERN vil oppgraderingen av LHC innebære at akseleratoren kan produsere 15 millioner Higgs-partikler i året. Til sammenligning produserte LHC 1,2 millioner Higgs-partikler mellom 2011 og 2012.

– Jo mer data vi kan samle inn, jo mer presis kunnskap kan vi få om partiklene. Higgs-partikkelen er en av de vi virkelig gjerne vil forstå – mer nøyaktig hvordan den oppfører seg. Vi vil gjerne vite om det er en Higgs-partikkelen vi trodde det ville være. Eller om det er mer enn én Higgs-partikkel, noe som også er en mulighet, sier Collier.

Oppgradering krever teknologiske gjennombrudd

Han forklarer at oppgraderingen av LHC egentlig består av to deler. For det første skal vi forbedre fire store for-akseleratorer som sender stråler inn i LHC. I tillegg vil selve LHC bli oppgradert i området der stråler av protoner tørner inn i hverandre.

– Vi vil gjøre strålen mye mer fokusert der protonene støter sammen. For tiden er det om lag 20 mikrometer – omtrent en fjerdedel av bredden på et menneskehår. Med de nye fokuserende elementene i LHC kan det bli enda mindre. Omkring en tiendedel av et menneskehår, sier Collier.

– Bedre fokus øker sjansene for en kollisjon. Dermed vil vi få mye mer data ut av maskinen.

Det kan kanskje lyde som en enkel manøver, men ifølge CERN avhenger High-Luminosity-oppgraderingen av LHC av «en rekke gjennombruddsteknologier som for tiden er under utvikling.»

«High-Luminosity LHC vil bruke denne nye teknologien for aller første gang. Det vil utvide potensialet for LHC, men også være en test for fremtidige akseleratorer», står det i en pressemelding fra CERN.

De nye teknologiene inkluderer blant annet «banebrytende 12 tesla superledende firepolsmagneter.»

Oppgraderingen av CERN er en utløper av Europeisk strategi for partikkelfysikk fra 2013.

Dypt under bakken i Sveits gjemmer et av den moderne verdens største teknologiske vidundere seg.

En 27 kilometer lang ringformet maskin som for lengst har akselerert vår kunnskap om partikkelfysikken – og dermed i verden omkring oss.

Den enorme akseleratoren, Large Hadron Collider (LHC), har krevd samarbeid mellom 10 000 forskere og ingeniører og har blitt omtalt som for vår tids oppføring av pyramidene i Egypt.

Men selv om det bare er syv år siden akseleratoren ble tatt i bruk, er forskerne allerede nå i gang med å planlegge arvtakeren.

– Favoritten sett fra vårt synspunkt er en protonmaskin som er om lag fire ganger større enn LHC. Omkring 100 kilometer i omkrets. Så det vil være et skikkelig beist, sier Paul Collier. Han er leder for strålingsavdelingen ved forskningsinstitusjonen CERN, som styrer LHC.

Skal åpne døren til et ukjent univers

Dette beistet har navnet «Future Circular Collider». Hvis det en dag blir realisert, vil det kunne kollidere partikler ved ekstremt høye energier – rundt 100 teraelektronvolt (tera betyr en billion).

Håpet er at de voldsomme kreftene kan åpne et vindu til en helt ukjent del av universet.

– Saken er at det bare er om lag fem prosent av universet som består av den vanlige materien vi kjenner. 95 prosent av universet er ukjent. Vi aner altså ikke hva mesteparten av universet består av. Men kanskje vil man kunne løfte litt av sløret for det med en ny og større LHC, sier Søren Pape Møller, som er senterleder og akseleratorekspert ved institutt for fysikk og astronomi ved Aarhus Universitet.

De mørklagte delene av universet som forskerne fantaserer om å få innsikt i, blir også kalt for mørk materie og mørk energi.

Gigantisk maskin krever planlegging

Skisse over hvor stor akseleratoren «Future Circular Collider» vil være sett i forhold til den nåværende kjempeakseleratoren LHC, som ligger ved CERN ved Genève i Sveits. LHC er 27 kilometer i omkrets. (Illustrasjon: CERN)
Skisse over hvor stor akseleratoren «Future Circular Collider» vil være sett i forhold til den nåværende kjempeakseleratoren LHC, som ligger ved CERN ved Genève i Sveits. LHC er 27 kilometer i omkrets. (Illustrasjon: CERN)

Det kan kanskje høres litt grådig ut at fysikerne allerede drømmer om en ny og enda større maskin. Men ifølge Paul Collier er det nødvendig å begynne tidlig

med planleggingen.

– Det tar lang tid å designe og bygge en maskin som er så komplisert som LHC, og den neste vil være enda mer komplisert, sier Collier.

Til sammenligning forklarer han at de første tankene om LHC ble født i 1983. Først i 2010 var det gigantiske maskineriet klart til bruk.

– Vi vil bruke LHC frem til 2040-tallet. Så hvis vi vil være klare med et nytt prosjekt på 2030-tallet, må vi begynne å designe det nå, sier Collier.

Planen er at «Future Circular Collider» skal være en ringformet akselerator, akkurat som LHC. Inne i «Future Circular Collider» vil man også kunne skyte små partikler – protoner – opp til nesten lysets hastighet og studere hva som skjer når de kolliderer. I LHC har slike protonsammenstøt blant annet ført til observasjon av Higgs-partikkelen (se faktaboks).

Utrolige krefter i verdens største maskin

Men hva vil vi oppdage hvis den nye akseleratoren blir realisert?

– Ingen kan si med sikkerhet hva vi vil møte ved enda større energier. Det er mange ting vi ikke forstår i partikkelfysikken. Hva det nye er, blir spennende. Vi bør ikke bygge en så stor maskin hvis ikke vi tror vi møter noe nytt, sier Søren Pape Møller.

Den såkalte standardmodellen er i dag fysikernes beste forslag til hvordan verden er skrudd sammen, og hvilke partikler som eksisterer. Men modellen kan ikke forklare alt i universet.

– Vi vet at noen deler av standardmodellen vil bryte sammen ved høyere energi. Men vi vet fortsatt ikke akkurat hvor det vil skje. Vi håper fortsatt at det vil være innen LHCs rekkevidde å avsløre det. De fenomenene vi ser etter, er veldig sjeldne. Hvis vi får en ny maskin, vil den være bedre i stand til å se hva det er og samtidig følge det opp til høyere energiskalaer, forklarer Paul Collier.

For å forstå hvilke energier som er snakk om, kan vi sammenligne partiklene i LHC med de franske høyhastighetstogene TGV.

– Vi kan forestille oss at partikkelstrålen i LHC er et stort fransk TGV-tog som kjører i 500 km/t. Forestill deg et slikt tog brake inn i et annet. Så stor er energien i LHC. Når den nye maskinen står klar, kan du gange alt sammen med hundre, forteller Møller.

Tevatron fant aldri Higgs

Historien har vist at det lønner seg å tenke stort. Den amerikanske akseleratoren Tevatron, som var verdens kraftigste fram til LHC kom på banen, jaktet på også Higgs-partikkelen, men kom aldri i mål.

– Tevatron hadde en energi på én teraelektronvolt per stråle. LHC har syv ganger så mye. De toppartiklene de klarte å oppdage med Tevatron i løpet av 25 år, har i dag blitt en slags rutinepartikler som vi kan studere i detalj. De rakk aldri å se Higgs med Tevatron. Det var utenfor maskinens rekkevidde, sier Collier.

Tankene om den neste akseleratoren er født som en del av en større europeisk forskningsstrategi – Europeisk strategi for partikkelfysikk fra 2013.

Ifølge strategien skal forskerne fra CERN utføre teoretiske studier av hvordan fremtidens arvtaker etter LHC kan utformes.

Skisse over Large Hadron Collider (LHC), som ligger gjemt under bakken i Sveits. (Foto: CERN)
Skisse over Large Hadron Collider (LHC), som ligger gjemt under bakken i Sveits. (Foto: CERN)

Kanskje blir arvtakeren CLIC

En forskningsgruppe arbeider også på en helt annen type arvtaker, «The Compact Linear Collider» – eller bare CLIC.

Den vil ikke være en sirkel, men en rett linje. CLIC vil også arbeide med en annen type partikler enn protonene vi kjenner fra LHC og Future Circular Collider.

I CLIC vil det være snakk om sammenstøt mellom elektroner (partikler med negativ ladning) og positroner (elektronets antipartikkel, med positiv ladning).

– Future Circular Collider og CLIC bruker forskjellige teknikker, forskjellige mekanismer og har litt forskjellige formål. Vi skal presentere de to som muligheter, og da er det opp til fysikken, vitenskapen og de som bevilger penger å bestemme, sier Collier.

– Kan vi få begge deler?

– Det er veldig dyre maskiner. Jeg tror ikke vi får råd til begge deler.

– Hvilken prisklasse snakker vi om?

– Du må vente til vi legger frem studiene i 2019 for å få svar på det, sier Collier.

Forskere planlegger ikke bare en ny arvtaker etter Large Hadron Collider (LHC). De er også i gang med et «ansiktsløft» til det store maskineriet. Det krever utvikling av ny teknologi, som er skissert her. Les mer i boksen under. (Illustrasjon: CERN)
Forskere planlegger ikke bare en ny arvtaker etter Large Hadron Collider (LHC). De er også i gang med et «ansiktsløft» til det store maskineriet. Det krever utvikling av ny teknologi, som er skissert her. Les mer i boksen under. (Illustrasjon: CERN)

Hva koster gigamaskinene?

LHC kostet omkring 40 milliarder kroner. Akseleratoren er betalt av land som er medlem av CERN, inkludert Danmark, som i dag står for 1,6 prosent av bidragene. Det er 21 andre medlemsland som bidrar.

– Man kan selvfølgelig spørre seg om LHC var en god investering. Det vi får ut av den, er ikke noe som er direkte praktisk anvendelig. LHC har kanskje kostet en krone eller to per menneske på kloden. Er det mye eller lite? Kanskje kunne vi ha brukt pengene på nødhjelp i stedet. LHC er luksusfysikk. Vi får veldig grunnleggende kunnskap ut av den, men ikke noe som berører oss i hverdagen. Men det forteller oss om verden, sier Søren Pape Møller.

Han understreker imidlertid den nye kunnskapen kan føre til nye oppfinnelser.

– Store forskningsprosjekter som LHC driver teknologien fremover. Kunnskapen fra LHC og andre akseleratorer har bidratt til bedre behandling av kreft, sier Møller med henvisning til strålekanoner som kan drepe kreftsvulster ved å beskyte dem med partikler (les mer her).

– Det presser den teknologiske utviklingen til det ytterste når det investeres i store prosjekter.

© Videnskab.dk. Oversatt av Lars Nygaard for forskning.no.