Denne artikkelen er produsert og finansiert av Universitetet i Oslo - les mer.
Den lille sirkelen viser dagens tunnel. De stiplede linjene viser alternativer for framtiden. Den gule streken er grensen mellom Frankrike og Sveits.(Illustrasjon: CERN)
Snart må fysikerne bestemme seg for som skal skje i Cern
Skal neste generasjons partikkelakselerator gå rett fram eller i en større sirkel?
Det er 70 år siden Den europeiske organisasjon for kjernefysisk forskning (Cern) ble etablert. Siden 2008 er det den 27 kilometer lange partikkelakseleratoren Large Hadron Collider (LHC) som har fått mest oppmerksomhet. Den er fortsatt langt unna pensjonsalderen, men planene for neste generasjon er allerede i full gang.
– Vi planlegger å kjøre LHC fram til 2041 med en ganske stor oppgradering i begynnelsen av 2030, sier forsker Eirik Gramstad ved Fysisk institutt på Universitetet i Oslo (UiO).
Han forteller at de siste ti årene vil LHC drives med en ganske ny detektor. Den er både bedre og kan operere med høyere energi og høyere intensitet. Vi får dermed flere kollisjoner.
Gramstad var på Cern allerede som masterstudent for nesten 20 år siden. Han har fått med seg hele livsløpet til LHC.
– Jeg var med før vi startet opp LHC-maskinen. Jeg har klatret inn i detektoren og vært med på å sette den sammen, koble de siste kablene for å sjekke om alt fungerte, sier han.
100 kilometer lang sirkel
Han er sikker på at partikkelakseleratoren vil gi store mengder spennende data de kommende 20 årene. Men den har sine begrensninger.
Mest handler det om hvor mye energi man kan tilføre partiklene før de kolliderer.
– Vi har en mistanke om at den nye fysikken vi leter etter, mørk materie og slike ting, befinner seg et sted på høyere energier enn de vi hittil har oppnådd. Det er naturlig å tenke at dersom vi skal finne noe nytt, så er sannsynligheten større for det dersom vi får mer energi inn i kollisjonene, sier Gramstad.
Derfor er et av alternativene å bygge en enda større tunnel. Også den sirkulær. Den skal være på nærmere 100 kilometer. Den kalles Future Circular Collider (FCC) og vil gå under Genfersjøen og under Jurafjellene.
Future circular collider (FCC) trenger en tunnel under Genèvesjøen og under Jurafjellene.(Illustrasjon: Cern)
– Det er ikke så mye nytt. Det er bare LHC som er blåst opp. Men det gjør det mulig å komme opp i høyere energier, forklarer Gramstad.
I en større ring trenger ikke partiklenes bane å bøyes like mye. Det er nettopp i forbindelse med denne bøyningen at de mister fart og energi.
Lettere å sende partiklene rett fram
Den store utfordringen er selvfølgelig å grave en så lang tunnel 100 meter under bakken. Derfor ser man også på andre muligheter. Man ser for eksempel for seg en akselerator som bare sender partiklene rett fram i en lineær tunnel.
Compact Linear Collider (CLIC) vil kreve mindre omfattende utgravninger. Den vil være billigere og vil kunne være på plass noe tidligere.
Det vil også kunne løse et av minusene man har når de minste partiklene, for eksempel elektroner, går rundt og rundt.
– I en sirkel får man et problem med å kollidere lette partikler. Du kommer til et nivå der de må gi fra seg mer energi for å skifte retning enn det du klarer å putte inn. Til slutt mister de mer energi enn du klarer å putte inn. Da har du nådd en terskel, sier Gramstad.
Det høres kanskje mer spennende ut å kollidere de mye større protonene. Likevel er det store fordeler med å konsentrere seg om de enklere elektronene og deres positive motsats positronene.
Annonse
Selv om energien i lineære akseleratorer, som er på tegnebrettet nå, er lavere enn dagens LHC.
Lengden på en lineær akselerator har mye å si for hvor mye energi man kan komme opp i.(Illustrasjon: Cern)
– Elektroner er veldig flotte partikler fordi de er elementære. Det er ikke noe inni dem slik det er i protonene. Hvis vi kolliderer elektroner, har vi full kontroll. Vi kan stille inn energien på akkurat det nivået vi ønsker å utforske. Det er lite støy i slike kollisjoner, så vi kan gjøre veldig presise målinger, sier Gramstad.
Det gir blant annet gode muligheter til å bli enda bedre kjent med higgspartikkelen. Den ble påvist ved hjelp av LHC i 2012.
– I en lineær akselerator kan vi lage en higgsfabrikk. Vi vil gjerne vite mer om blant annet hvordan den vekselvirker med andre partikler. I en lineær akselerator kan vi gjøre veldig presise målinger av alt som har med higgs å gjøre, sier Gramstad.
Drømmen om ny fysikk
Det man sannsynligvis ikke får i en lineær akselerator, er direkte bevis for den nye fysikken mange fysikere drømmer om. Det er med mindre den er veldig, veldig lang.
Fysikernes drøm er å få svarene som kan fylle ut noe av det som fortsatt mangler i vår forståelse av verden og av universet.
– En lineær akselerator kan gi oss hint om hvor vi skal lete videre. Men det er vanskelig å vite hva den nye fysikken vil innebære fordi vi ikke kan gå til de høye energiene for å sjekke det, sier Gramstad.
Han har tidligere vært tilhenger av å satse på en lineær akselerator. Det er blant annet fordi tidshorisonten er kortere. Da vil han få muligheten til å oppleve resultatene mens han fortsatt er aktiv forsker.
Men Gramstad kjenner også dragningen mot den 100 kilometer lange sirkelakseleratoren.
Fysiker Eirik Gramstad viser frem kosedyrversjonen av et gluon, en av de mange elementærpartiklene man studerer på Cern.(Foto: UiO)
– For oss som jobber med å finne ny fysikk, er den sirkulære mest attraktiv.
– Noe av det som er veldig bra med en stor sirkulær akselerator, er at vi først kan bruke den til å kollidere elektroner mot positroner i noen år. Deretter kan vi bytte ut alle instrumenter og detektorer og sette i gang med å kollidere protoner.
Annonse
Det var akkurat det samme som ble gjort med LHC-tunnelen. Fra år 1989 til 2000 huset den Large Electron Positron collider (LEP). Der ble elektroner sendt mot positroner for å berede grunnen for LHC.
Mye penger
I løpet av neste år skal Cern komme nærmere en beslutning om hvilken vei de vil ta videre. Altså om de vil fortsette rundt og rundt eller heller gå rett fram.
Mye handler om penger. Det er en vanskelig tid å få gehør for så store investeringer på noe man ikke helt vet hva det kommer ut av.
– Folk vil gjerne ha raske resultater. De vil ha noe som hjelper samfunnet med en gang. Men er det noe historien har vist oss siden Cern ble grunnlagt for 70 år siden, er det at det har kommet mye nyttig ut av Cern selv om vi ikke alltid visste hva som skulle komme før det kom, sier Gramstad.
Hvor Cern vil gå, er også avhengig av hva andre store aktører, som Kina, Japan og USA, gjør.
– Hvis noen andre bygger en lineær akselerator, vil Cern neppe gå for det, sier Gramstad.
Det er også dem som fantaserer om muligheten for å kollidere myoner. Det er en annen type elementærpartikkel.
– Myonet er mye tyngre enn elektronet, men har nesten de samme egenskapene. De er elektroner på speed. Med myonet kan vi gjøre akkurat det samme som vi gjør med elektronet, men med mye høyere energi. Men der er tidshorisonten mye lenger, sier Gramstad.
Det kan først bli aktuelt ved en senere korsvei. I mellomtiden konsentrerer Gramstad og kollegaene seg om hjertebarnet LHC.
– Vi forstår LHC så godt. Det er litt som når barna dine har blitt sju–åtte år og du begynner å kjenne dem. Du vet hvordan du skal interagere med dem. Derfor har vi fortsatt veldig fokus på LHC og alle dataene vi fortsatt får derfra.
