CERNs framstilling av det nye designkonseptet (Skjermbilde: CERN)
CERNs framstilling av det nye designkonseptet (Skjermbilde: CERN)

CERN vil bygge ny partikkel-akselerator som er fire ganger større og ti ganger kraftigere

Det nye forslaget til CERN går ut på å bygge en maskin som er nesten fire ganger større enn det som i dag er verdens største maskin. Men hva er det egentlig denne maskinen skal gjøre?

Publisert

Large Hadron Collider (LHC) er kanskje en av de mest mystiske innretningene i verden. Den går i en 27 kilometer lang sirkel-tunnel på grensen mellom Frankrike og Sveits, og har én hovedoppgave: Få universets minste bestanddeler til å kollidere med hverandre.

Maskinen ble verdenskjent i 2012 da CERN annonserte at Higgs-bosonet hadde blitt oppdaget. Denne elementærpartikkelen hadde vært teori i flere tiår, matematikken bak standardmodellen for elementærpartikler sa at den var der, men den hadde ikke blitt målt før LHC-eksperimentet.

Og nå har CERN begynt å snakke om hvordan framtiden ser ut. LHC har kjørt eksperimenter siden 2009, avbrutt av oppgraderingspauser. Nå er vi inne i en slik pause, og LHC skal starte opp igjen i 2021 og fortsette i flere tiår.

Men disse prosjektene er så store at CERN allerede har holdt på med deres forslag til en arvtaker i flere år. Nå er de klare til å vise frem sin visjon for framtiden.

Den kalles foreløpig Future Circular Collider (FCC), og planen ble publisert i januar 2019. FCC er mye større og kraftigere enn dagens maskin. Dette er foreløpig bare en plan, og den er ikke vedtatt enda. Hvis denne planen gjennomføres, vil eksperimentene begynne på 2040-tallet.

Den totale prislappen blir i overkant av 200 milliarder kroner ifølge CERN, som skal finansieres av medlemslandene over flere tiår. Norge er en av de 22 medlemsstatene, og bidrar med omtrent 240 millioner kroner i 2019.

Men hvorfor trenges det en ny partikkelakselerator, og hva er det egentlig forskere håper på å få ut av den?

Under kan du se CERNs egne presentasjon av prosjektet:

Lang, lang tunnel

LHC bruker den samme tunnelen som den forrige partikkelakseleratoren, bare med ny innmat. Den forrige maskinen ble lagt ned i 2000.

Men FCC skal få en helt ny tunnel, som er 100 kilometer lang. Lengre partikkelakselerator betyr mye mer kraft i kollisjonene mellom partikler.

– I hundre år har det å kollidere små biter materie med høy energi vært den kanskje viktigste eksperimentelle metoden for å lære om materiens struktur og bestanddeler, sier Anders Kvellestad til forskning.no. Han er partikkelfysiker, og jobber ved imperial College i London.

Egentlig innebærer CERNs plan å bygge flere maskiner etter hverandre i den samme tunnelen. Den første maskinen er en elektron-positron-kollisjonsmaskin som kan brukes til å gjøre mer nøyaktige målinger av for eksempel Higgs-partikkelen, som det fortsatt er en del pussigheter med.

Den kan også finne kvante-kjølevannet etter helt nye og ukjente partikler, uten å gjøre direkte observasjoner.

Ny fysikk?

I tillegg til andre eksperimenter som involverer kollisjoner mellom blyatom-kjerner og elektroner. vil de senere bygge en svært kraftig maskin som kolliderer protoner med protoner i tunnelen.

– I partikkelfysikk er proton-proton-kollisjoner som en slegge, mens elektron-positron-kollisjoner er som en liten geologhammer. Det ene gir stor kraft mens det andre er gir høy presisjon.

Kraften selve partikkelstrålen måles i terraelektronvolt (TeV). 27 km lange LHC skal klare 14 TeV, mens den nye akseleratoren skal opp i 100 TeV.

Høyere energier betyr at man kan lure fram mer massive partikler som kanskje ikke har blitt observert før, noe som vil kunne gi hint om helt ny fysikk, forklarer Kvellestad.

Fordi det er fortsatt mye i universet som forskere ikke forstår. Noen få eksempler: Det finnes ikke noe svar på hva mørk energi og mørk materie egentlig er for noe, selv om dette er sentralt for vår nåværende forståelse av universet.

Andromeda-galaksen. Disse galaksene er ikke massive nok til å holde sammen, men de gjør det allikevel. Dette blir forklart med "usynlig" mørk materie. (Bilde: Adam Evans/CC BY-SA 2.0)
Andromeda-galaksen. Disse galaksene er ikke massive nok til å holde sammen, men de gjør det allikevel. Dette blir forklart med "usynlig" mørk materie. (Bilde: Adam Evans/CC BY-SA 2.0)

Og moderne fysikk har et stort problem. Den generelle relativitetsteorien og kvantefeltteori, som beskriver elementærpartiklene, passer ikke sammen. Det finnes foreløpig ingen forklaring på selve tyngdekraften som passer i begge modellene.

Uansett hvordan man ser på det, mangler det noe i forståelsen av universet. Det er mange foreslåtte forklaringer, men forskerne trenger bevis.

Og fysikere har håpet på at den nåværende partikkelakseleratoren LHC skulle gi hint om denne nye fysikken. Dette har ikke skjedd til nå, men LHC skal fortsette i mange år til.

– Vi vet alt nå om en rekke små, men nokså interessante avvik mellom teori og observasjon i de eksisterende dataene. Så min umiddelbare forventning er at resultatene fra neste LHC-runde skal gi oss svar på om disse avvikene skyldes "ny fysikk" eller tilfeldige statistiske variasjoner, sier Kvellestad.

Men her ligger også noe av tvilen rundt å planlegge disse nye partikkelakseleratorene.

Vil den finne noe?

Den tyske fysikeren Sabine Hossenfelder er en av de som har kritisert FCC-forslaget. Hun har også skrevet bok om at fysikken er for opptatt av "skjønnhet" i ligningene.

I en kronikk i New York Times kritiserer hun forslaget, blant annet fordi de gjentar de samme lovnadene som CERN kom med da LHC skulle bygges, nemlig at den vil lete etter mørk materie og universets opprinnelse.

Problemet er at dette er langt fra garanterte resultater, hevder Hossenfelder. Fysikere var ganske sikre på at de kom til å finne Higgs-partikkelen med LHC, men nå er det ingen slike forslag på bordet.

Supersymmetri er en teori som har spådd flere forskjellige partikler som kan fylle hullene i standardmodellen, men disse partiklene har ikke dukket opp i eksperimenter enda.

Hossenfelder argumenterer for at fysikken burde utforske andre muligheter og heller vente med å bygge større partikkelakseleratorer, og heller fokuserer på hvorfor foreslåtte partikler ikke har dukket opp i LHC.

Hun går langt dypere inn i kritikken på bloggen sin, hvis du vil lese mer. Her nevner hun også at hvis LHC faktisk finner noe nytt i løpet av de neste årene, vil dette bildet endre seg.

LHcs digre CMS-detektor. Stigen til høyre i bildet gir et inntrykk av hvor stor den er. 8Bilde: Julian Williams/ CERN)
LHcs digre CMS-detektor. Stigen til høyre i bildet gir et inntrykk av hvor stor den er. 8Bilde: Julian Williams/ CERN)

– Grunnforskning

– Etter Higgsoppdagelsen har vi ingen slike teoretiske «garantier» for å oppdage nye partikler i neste generasjon eksperimenter, sier Anders Kvellestad til forskning.no.

– Men det betyr egentlig bare at partikkelfysikk er tilbake i det som er en nokså normal situasjon for grunnforskning — at man ikke vet hva som kan dukke opp i neste eksperiment.

– I fysikkhistorien er det flere eksempler på oppdagelser som ingen hadde forutsett.

Kvellestad mener at selv om fysikere er uenige om hva man kan forvente av disse eksperimentene, bør ikke det være et argument mot å lage nye, store eksperimenter.

Med disse nye partikkelakseleratorene er det også helt sikkert at forskerne vil få bedre og mer nøyaktige målinger av partiklene vi allerede vet om, ifølge Kvellestad.

Bygge større maskin, men vente?

– Det er liten tvil om at veien videre for partikkelfysikk ligger i en større maskin, sier Bjørn Samset til forskning.no. Han er forsker ved Cicero-senter for klimaforskning, men er utdannet partikkelfysiker og har jobbet ved CERN.

– Spørsmålet er bare om tiden er moden til å bygge den nå, eller om feltet trenger å fokusere på andre ting først.

Han tenker også at fysikken kanskje er bedre tjent med å vurdere andre prosjekter slik at man kan ha klarere forventninger om hva en slik kjempemaskin vil finne.

Samset bruker mørk materie som eksempel.

– Mange håpet at LHC skulle ha høy nok energi til å skape partiklene mørk materie kanskje består av.

Mange teorier har blitt foreslått, og noen har blitt tilbakevist, men det er mange igjen å teste. Spørsmålet er om det er bedre å fokusere på andre metoder, som dedikerte sensorer hvor man kan gjøre direkte oppdagelser av mørk materie.

Hvis FCC bygges, ligger den fortsatt langt inn i framtiden, men Samset understreker at det er viktig å snakke om disse prosjektene såpass tidlig.

– Faren ved å vente er at vi mister ekspertise. Teknikerne på CERN er trollmenn; de får akseleratoren sin til å gjøre det utroligste. Starter vi ikke planleggingen av neste prosjekt nå, vil mye av erfaringen deres kunne gå tapt.

Samtidig tror han at ekspertisen også kan videreføres gjennom andre prosjekter. Men han er sikker på at disse giga-akseleratorene vil bli bygget.

– En slik maskin bør bygges, og den vil bli bygget, men kanskje det er for tidlig enda?