Hva skjedde i det første milliontedels sekundet etter Big Bang for 13,7 milliarder år siden, da universet vårt ble dannet med et brak? Hva er universet vårt satt sammen av? Hva er det som holder galaksen vår samlet? Hva består atomene våre av? Hva er de minste byggeklossene i universet og i oss mennesker?

For å finne svaret på disse svimlende og eksistensielle spørsmålene, jakter flere tusen fysikere fra hele verden på de aller minste partiklene i verdens største og dyreste eksperiment i CERN i Genève.

I denne reportasjen vil du få et eventyrlig innblikk i en verden som de fleste av oss aldri kommer på innsiden av. Du får vite mer om Guds partikkel og at forskerne jakter på noe enda større. Du vil få siste nytt om jakten på mørk materie, og da snakker vi ikke om den mørke delen av hjernen når vi ikke skjønner noen ting, men om den mørke materien som binder universet sammen og som hvert eneste sekund raser gjennom kroppen din uten at du merker noe som helst.

Du får også lese om hvorfor det koster mangfoldige milliarder kroner å avdekke mysteriet. Som fristende åte kan Apollon nevne en 27 kilometer lang tunnel spekket med det mest moderne utstyr du kan tenke deg. Her kolliderer partikler med hverandre i svimlende hastigheter for å gjenskape fragmenter av den rare ursuppen som ble dannet mens universet fortsatt bare var noen milliontedels sekunder gammel.

Gjennomskuer «mørkheten»

En av vitenskapens største uløste gåter er å finne forklaringen på den mørke materien i verdensrommet. Solsystemet vårt er en del av galaksen som kalles Melkeveien. Alle stjernene i Melkeveien, det er minst hundre milliarder av dem, dras mot det indre. Her fins et enormt tyngdefelt, som ikke kan forklares med annet enn mørk materie.

– Vi vet at det fins fem ganger mer mørk materie enn vanlig materie, men vi vet fortsatt ikke hva den består av. Det eneste vi vet er at den mørke materien må være massiv, at den har andre egenskaper enn den materien vi ser rundt oss, og at den nesten ikke reagerer med annen materie, forklarer postdoktor Anders Kvellestad på Fysisk institutt ved Universitetet i Oslo.

De minste byggeklossene

Når partikkelfysikerne snakker om materie, tenker de på noe som er langt mindre enn atomer. Ethvert atom består av en atomkjerne med elektroner svirrende rundt seg. Atomkjernene består av ladde partikler som kalles protoner og nøytrale partikler som kalles nøytroner. Som om dette ikke er nok, er protonene og nøytronene satt sammen av kvarker og andre elementærpartikler som binder disse kvarkene sammen.

Partikkelfysikerne har gjennom møysommelig leting kartlagt 17 av partiklene. Blant de rare navnene er myoner og gluoner, for ikke å snakke om W og Z. Fysikerne har også teoretisk beskrevet en rekke andre elementærpartikler som de mener må eksistere, men som de ennå ikke har funnet eksperimentelt.

Frem til i dag har forskerne bare funnet en eneste elementærpartikkel som oppfyller alle krav til mørk materie. Den kalles nøytrino. Men det er et stort aber. Den har altfor liten masse. Nøytrinoer må forresten ikke må forveksles med nøytroner. Nøytrinoer er elektrisk nøytrale og reagerer bare svakt med synlig materiale. Det farer nøytrinoer gjennom oss hele tiden. For dem er det nesten ingen forskjell om de passerer gjennom tomt rom eller Jorda.

Uheldigvis forklarer ikke nøytrinoer den store mengden med mørk materie i universet. Mørk materie må derfor være noe annet.

Altomfattende problem

Astrofysikerne klarer ikke å løse gåten alene. De må ha hjelp av partikkelfysikerne.

– Uten grunnleggende forskning på de aller minste partiklene i universet er det ikke mulig å finne svaret på et av de aller største uløste problemene i universet, forteller Kvellestad.

Oppgaven er alt annet enn enkel. Partikkelfysikerne skal finne helt nye typer partikler, som de ikke vet hva er for noe og som nesten ikke reagerer med synlig materie. Hvordan i alle dager skal de klare det? De har tre muligheter. Den ene muligheten er å fange opp kollisjoner mellom mørke partikler fra satellitter som måler hva som skjer i sentrum av galaksen. Når to mørke partikler kolliderer, kan det sendes ut to lyspartikler. I teorien er det mulig å observere disse lyspartiklene. Det store problemet er all bakgrunnsstøyen. For å si det pent er det også mye annet som lyser opp i universet. Det er derfor ingen enkel øvelse å finne akkurat de lyspartiklene som stammer fra kollisjoner mellom mørke partikler.

Selv om brorparten av den mørke materien er i sentrum av galaksen, svever hele Melkeveien i en sky av mørk materie. Det raser faktisk mørk materie gjennom oss hele tiden. Den andre muligheten er derfor å bygge en svær detektor på Jorda og håpe på at en mørk materiepartikkel en sjelden gang vil kollidere med et atom inne i detektoren.

– Dessverre er sannsynligheten for at dette skjer, veldig liten.

Likevel gjøres det iherdige forsøk. Forskere har visse steder plassert detektorer i nedlagte gruver for å skjerme dem mest mulig for kosmisk stråling. Da kan de sitte der nede, langt under bakken, og vente på at detektoren skal si pling. Med bare noen få målinger i året er dette en gedigen tålmodighetsøvelse. Dessuten er det ikke sikkert at plingen skyldes mørk materie, og hvis den skyldes mørk materie, kan det tenkes at detektoren bare fanget opp en liten nøytrino. Men det er jo ikke nøytrinoer forskerne leter etter. De vil finne mørke partikler.

Gjenskaper partiklene

Den tredje muligheten er å forsøke å produsere de mørke partiklene selv. Det skal gjøres på CERN, som ligger utenfor Genève, på grensen mellom Sveits og Frankrike. Her finnes det en enorm partikkelakselerator der protoner i tilnærmet lysets hastighet kolliderer med hverandre. Da er energien så høy at det er mulig å gjenskape partikler som ble dannet i den kosmiske ursuppen rett etter Big Bang, det store smellet, for 13,7 milliarder år siden.

Når protonene knuses med slik voldsom energi, skapes det helt nye partikler med helt andre egenskaper enn de som opprinnelig fantes i protonene.

– Det er som om du kolliderer druer og får ut epler, forklarer Anders Kvellestad.

Innimellom kan det dannes mørk materie. En svær detektor skal måle hva som skjer, men uheldigvis er det ikke mulig å se de mørke partiklene. Løsningen er et energiregnskap. Summen av energien må alltid være den samme både før og etter kollisjonen. Hvis det er ubalanse i regnestykket, må det ha blitt dannet noen usynlige partikler, som har tatt med seg en del av energien.

Eksperimentalistene er avhengige av teoretikerne for å vite hva de skal lete etter.

– Teoretikerne kommer med forslag til hvilke eksperimenter som bør utføres, og studerer deretter resultatene fra eksperimentene for å se hvilke teorier som kan ha noe for seg, forklarer Kvellestad.

Vil knuse rådende teori

De nye eksperimentene på CERN kan forhåpentligvis rokke ved den rådende teorien om elementærpartikler. Den kalles standardmodellen og forklarer hvordan alle de kjente elementærpartiklene oppfører seg. Den beskriver også tre av de fire naturkreftene; den sterke kjernekraften, den svake kjernekraften og elektromagnetismen. Standardmodellen passer perfekt til alle eksperimentene som er gjort frem til i dag

– Standardmodellen er en av fysikkens høydepunkter. Den er fantastisk, men likevel ikke superfantastisk, fremhever Kvellestad.

Standardmodellen har dessverre sine svakheter.

– Den forklarer verken mørk materie eller gravitasjon, beklager professor Alex Read på Fysisk institutt ved Universitetet i Oslo.

Standardmodellen kan heller ikke svare på om de tre naturkreftene, altså elektromagnetismen og den svake og den sterke kjernekraften, egentlig er ulike sider av samme kraft. Den gir dessuten ikke gi noe svar på hvorfor universet endte opp med litt mer materie enn antimaterie. Vi skal forresten være glade for det. Ellers hadde du og jeg og resten av menneskeheten ikke eksistert.

Fysikerne leter derfor etter andre forklaringer på hvordan universet er satt sammen. Det er ingen enkel oppgave. De nye teoriene må alltid være i overensstemmelse med eksisterende data, samtidig som de må gi svar på noe nytt om de store uløste problemene.

Vil bevise fancy teori

Et av de mest populære forslagene er noe som kalles for supersymmetrimodellen. Her vil det være mulig å forklare både mørk materie og mange av de andre fenomenene som ikke dekkes av standardmodellen. Hvis det finnes supersymmetri, vil det finnes mange flere partikler enn vi vet om i dag.

Og nå kjære leser, gjelder det å holde seg fast i svingene: I den supersymmetriske modellen har alle elementærpartikler en partner. Ethvert fermion har et boson som partner – og omvendt. Men hva i alle dager er fermioner og bosoner? Kort fortalt er fermioner materiepartikler, mens bosoner er kraftbærende partikler. Eksempler på fermioner er protoner, nøytroner og elektroner. Eksempler på bosoner er fotoner (lyspartikler) og gravitoner (en partikkel som ennå ikke er oppdaget, men som fysikerne mener bidrar til gravitasjonskraften).

– Standardmodellen er en lang og stygg formel. Supersymmetrien er et forslag som kan skape mer orden i dette rotet ved at ligningen ikke skal bry seg om forskjellene mellom fermioner og bosoner. Hvis supersymmetrien eksisterer, skal det finnes mange nye partikler, og hvis vi finner dem, skal vi finne ut av om noen av disse partiklene kan være mørk materie, forteller stipendiat Eli Bæverfjord Rye på Fysisk institutt.

Guds partikkel

Supersymmetrien er nært forbundet med en annen eksotisk del av partikkelverdenen som kalles for Higgs-partikkelen, eller Higgs-bosonet som noen velger å kalle den. For å spare plass tillater Apollon seg å kalle denne spesielle partikkelen for Higgs. Higgs var for øvrig den siste brikken som manglet i standardmodellen. Den spesielle partikkelen forklarer hvorfor alle de andre elementærpartiklene har masse.

Partikkelen ble verdenskjent som Guds partikkel, grunnet en besynderlig, moralsk anfektelse. Forfatteren Leon Lederman, som for øvrig selv har fått en nobelpris i fysikk, skrev en bok om Higgs og foreslo tittelen «The Goddamn particle», Guds forbannete partikkel på godt norsk, fordi Higgs var så vanskelig å finne. Forlaget lot seg ikke begeistre. Boken ble derfor hetende «The God particle», et begrep som absolutt ingen partikkelfysikere bruker, men som er blitt et yndet begrep blant journalister.

Allerede på 60-tallet lanserte tre professorer, Peter Higgs på den ene siden og Francois Englert og Robert Brout på den andre siden, uavhengige av hverandre, teorien om den spesielle partikkelen. Den vitenskapelige artikkelen til Peter Higgs var på bare én side. De første årene ble han nesten ikke sitert, men da tidenes største og dyreste eksperiment startet på CERN 30 år senere, tok det helt av. I 2012 ble den spesielle partikkelen funnet. Allerede året etter fikk to av professorene nobelprisen i fysikk for den teoretiske beskrivelsen av Higgs. Robert Brout rakk dessverre ikke å få prisen. Han døde året før.

– Ønsker du en nobelpris, må du ha en idé mens du er ung, ha sterk psyke i den perioden ingen leser hva du har gjort og leve lenge nok til å oppleve at den svenske nobel-komiteen ser på arbeidet ditt som banebrytende, ler bibliotekar Jens Vigen på CERN.

Mange tror at supersymmetrien skal løse et Higgs-problem som standardmodellen ikke gir et godt nok svar på. Spørsmålet er hvorfor Higgs er så lett. Teoretisk burde den ha vært flere milliarder ganger tyngre.

– Supersymmetrien kan forklare hvorfor Higgs er en mye lettere partikkel enn forventet, sier Alex Read.

Flere gudepartikler

Ifølge supersymmetrien finnes det ytterligere fire Higgs-partikler. Med andre ord. Det finnes ikke bare én gudepartikkel. Det kan faktisk finnes fem gudepartikler til sammen. Partikkelfysikerne trenger likevel bare å finne én av disse ekstra gudepartiklene for å vite at supersymmetrien kan stemme.

– Hvis vi finner noen av de andre Higgs-partiklene, vil det hjelpe oss til å svare på hva mørk materie er, sier Alex Read.

Dette vil være en enda større oppdagelse enn å finne Higgs.

– Det vi snakker om nå, er å oppdage helt ny fysikk som kan være med på å forklare mørk materie. Det er noe alle fysikere håper på. Supersymmetrien er bare en av alternativene, men dette er en modell som mange fysikere ser på. Uansett, vi leter etter helt ny fysikk, sier Eli Bæverfjord Rye.

Hun jakter selv etter to helt spesielle supersymmetriske partikler. De kalles for Chargino og Neutralino. Ingen i verden har noen gang funnet dem.

– Det kan godt tenkes at disse partiklene overhodet ikke eksisterer.

Neutralino kan, hvis den blir funnet, være en av kandidatene til mørk materie.

Skyter med protoner

Alle eksperimentene skjer i partikkelakseleratoren Large Hadron Collider (LHC) på CERN. Den ble opprinnelig bygd for å finne Higgs, men skal nå oppgraderes i håp om å finne tyngre partikler.

LHC er en 27 kilometer sirkelrund tunnel femti til hundre meter under bakken. Her blir protoner i begge retninger akselerert opp nesten i lysets hastighet. Når hastigheten er så høy, har protonene like mye energi som små mygg. Det er svært vanskelig å få protonene til å kollidere med hverandre. Ikke glem at protoner er forferdelig små.

Du kan sammenligne dette med å skulle skyte klinkekuler fra hver sin side av Atlanteren og få dem til å treffe hverandre i skylaget over vulkanen Hekla på Island. For å sikre seg at noen av dem treffer, gjelder det å skyte med så mange som mulig. Partikkelfysikerne skyter bunter med tusenvis av milliarder protoner i slengen.

Hver gang to bunter passerer hverandre, kolliderer vel 20 protonpar. Det høres kanskje ikke så mye ut, men ikke glem at protonene raser rundt i tunnelen med en fart på nesten 300 000 kilometer i sekundet. Hvert sekund passerer det 40 millioner bunter i tunnelen. Det betyr 800 millioner protonkollisjoner i sekundet.

Nå oppgraderer CERN anlegget for å styre strålen enda bedre.

– I dag kolliderer protonbuntene på skrått. Da får vi ikke utnyttet dem godt nok. Vi skal nå vri litt på strålen, slik at hele bunten kolliderer med den andre bunten, forteller Alex Read.

De vil da kunne tidoble antallet kollisjoner.

I hver kollisjon kan det, avhengig av hvordan protonene kolliderer, en sjelden gang dannes eksotiske partikler som forskerne er interessert i. Problemet er å oppdage dem.

Verdens raskeste detektor

Resultatet av alle kollisjonene måles i detektorer som er så høye som seks etasjes boligblokker. Detektorene tar bilder av alle protonkollisjonene.

Ettersom antall kollisjoner skal tidobles, må detektorene også moderniseres for å fange opp alt som skjer. Detektorer er ikke standard hyllevare. De norske partikkelfysikerne, med Alex Read i spissen, skal nå konstruere den innerste delen av ATLAS, som er en av de to største detektorene. Konstruksjonen skal foregå i et splitter nytt laboratorium på Fysisk institutt.

Forskerne vil aldri kunne se de partiklene de leter etter, men de kan studere dem ved å følge sporene etter at de har henfalt. Når partikler henfaller, blir de omdannet til andre partikler. Den store utfordringen er at ulike partikler kan henfalle til nesten det samme. Fysikerne må derfor gjøre målingene så nøyaktig som mulig for å finne ut av hvilke partikler som fantes før de henfalte til noe annet.

Avhengig av hvordan protonene kolliderer, kan det en sjelden gang dannes Higgs. Disse partiklene er så ustabile at de etter kort tid omdannes til to andre partikler, som lever enda kortere. Så lenge disse partiklene dannes før de har forlatt detektoren, er det mulig å måle dem.

Kort levetid

Det var ikke lett å finne Higgs. De fant et par hundre av dem ved å tolke resultatet av 10 billiarder protonkollisjoner. Levetiden til Higgs er forresten begredelig kort. Den er på mindre enn en trilliardedels sekund. Likevel klarte de å oppdage dem.

Som regel har de nye partiklene etter en protonkollisjon veldig kort levetid. Hvis sannsynligheten for henfall derimot er lav, og med det menes partikler som lever lenger enn en tiendedels milliarddels sekund, er levetiden faktisk så lang at partiklene farer ut av detektoren og henfaller utenfor. Da blir de uheldigvis ikke fanget opp i detektoren.

– En mulighet er å bygge en detektor på bakkeplan som skal se etter de mer langtlevende partiklene, sier Kvellestad.

Ved å øke energien, altså hastigheten i kollisjonsøyeblikket, eller ved å øke antall kollisjoner, vil det forhåpentligvis være mulig å finne noen av de ukjente elementærpartiklene.

Avhengig av statistikk

Den eneste måten å analysere disse dataene på er med statistisk analyse. Bare da kan forskerne oppdage nye fenomener og partikler.

Hvis du bare betrakter én kollisjon, kan du ikke si noen ting om at det er blitt skapt nye partikler. I kvantefysikk kan du ikke se eksakt hva som skjer i én enkelt kollisjon, men du kan likevel si sannsynligheten for de enkelte utfallene. Du kan med andre ord ikke ta en enkelt hendelse og si at dette er ny fysikk. Du må gjøre omfattende statistiske analyser og se etter de statistiske forskjellene i datamaterialet.

Det er ikke mulig å lagre all informasjonen fra kollisjonene. Det genereres 60 Terrabyte data i sekundet. I løpet av en dag snakker vi om like mye lagringskapasitet som i fem millioner vanlige PC-er. Mesteparten av det som skjer, er uinteressant. Disse dataene blir kastet. Utsilingen skjer via en superrask algoritme. Etter hvert skal dette skje ved hjelp av kunstig intelligens.

– Vi beholder bare data fra tusen kollisjoner i sekundet, poengterer forsker James Richard Catmore på Fysisk institutt ved UiO.

Likevel er det snakk om mye data. Ikke glem at forsøkene skal gå døgnet rundt mange måneder i året.

Sikkert som døden

Statistisk sett kan partikkelfysikerne aldri bevise noe hundre prosent, men de har vist at sannsynligheten er så høy som 99,999999 prosent for at Higgs finnes. Eller for å si det på en annen måte:

– Det er bare tre ting i tilværelsen som er hundre prosent sikkert. Det er døden, at vi betaler skatt og at Higgs finnes, ler Alex Read.

Dobbeltsjekken

Mange tusen fysikere jobbet med å finne Higgs. For å være helt sikre på at de hadde funnet den, ble fysikerne delt i to helt uavhengige team som analyserte kollisjonene i hver sin detektor. De gjennomførte forsøkene på hver sin måte og samarbeidet ikke. Det er hele poenget. Det er ikke nok at det ene teamet oppdager en ny partikkel. Begge teamene må se det samme. Slik er den naturvitenskapelige forskningen. Alt må dobbeltsjekkes.

– Det beste vi kan håpe på med oppgraderingen av partikkelakseleratoren, er at vi finner noe med litt mer data. Alt som blir funnet, er spennende. Hvis vi ikke gjør disse eksperimentene, lærer vi ingenting, sier Alex Read.

– Hva er sannsynligheten for å finne supersymmetriske partikler?

– Det er umulig å svare på. Vi håper at det skjer. Men vi har ikke sett tegn til supersymmetri ennå. Det kan også tenkes at denne teorien overhodet ikke stemmer. Eller at vi ikke har nok energi i protonkollisjonene. Kanskje de er for tunge til å bli produsert i dag aksellerator, sier Eli Bæverfjord Rye.

Hele poenget er å tilføre protonene så mye energi som mulig for å kunne fravriste universet dets aller dypeste hemmeligheter.

Planlegger for barnebarna

I dagens tunnel er det ikke mulig å øke energifeltet så mye. Enormt sterke magneter sørger for å akselerere opp hastigheten på protonene. Jo slakere svingene blir, desto mer energi er det mulig å tilføre protonene. Som en av flere muligheter vurderer CERN å lage en mye større partikkelakselerator, The Future Circular Collider (FCC), under Genève-sjøen, Mont Salève og Jurafjellene. Den skal bli 100 kilometer i omkrets, og vil koste 240 milliarder kroner. Her er det snakk om langt frem i tid. Anlegget vil først kunne stå klart om 30 år.

– Da får protonkollisjonene åtte ganger mer energi enn i dag, forklarer professor Erik Adli på Fysisk institutt.

Forsøkene i denne partikkelakseleratoren skal kunne pågå 70 år frem i tid.

– Tenk på det! Vi planlegger så langt frem i tid at besteforeldrene til dem som skal avrunde forskningen på dette i 2090, nettopp er født, ler Alex Read.

Det store spørsmålet er om fysikerne noen gang klarer å finne mørk materie.

– Det er et vanskelig spørsmål, men jeg er optimist av natur, fremhever Anders Kvellestad

Da CERN satte i gang Higgs-eksperimentet, visste de at de enten ville finne Higgs eller noe annet spennende.

– Vi har ikke det samme argumentet for mørk materie. Vi har ingen garanti for å finne det. Det kan ta fem år, ti år eller kanskje risikerer vi å ikke finne mørk materie i det hele tatt. Men som den optimist jeg er, ser jeg ikke bort ifra at vi har funnet det innen fem år, forteller Anders Kvellestad.

Denne saken ble først publisert i Forskningsmagasinet Apollon.

Les også fra Universitetet i Oslo

Jobben hans er å lage flest mulig kollisjoner i Cern