Den 27 kilometer lange partikkelakseleratoren LHC ved CERN har vært uunnværlig i jakten på de aller minste partiklene i universet. Men hva skjer når den ikke lenger kan finne nye partikler?
Den 27 kilometer lange partikkelakseleratoren LHC ved CERN har vært uunnværlig i jakten på de aller minste partiklene i universet. Men hva skjer når den ikke lenger kan finne nye partikler?

Higgs 10 år:
Hva skal partikkel­fysikerne lete etter nå?

Verdens største partikkelakselerator begynner å nærme seg siste akt, i en forestilling som har vart i over 30 år. Hva skjer når den har krasjet sin siste partikkel?

Det må ha føltes litt som science fiction den februardagen i 1988, da anleggsmaskinene brøt igjennom de siste meterne med stein, 100 meter under bakken på grensa mellom Sveits og Frankrike.

En 27 kilometer lang sirkelformet tunnel var endelig sluttet.

Den gigantiske underjordiske ringen skulle huse verdens største partikkelakselerator – som også ville bli verdens største maskin.

Den var neste skritt i en svært lang tradisjon innen partikkelfysikken: Å lage akseleratorer som kunne krasje partikler sammen med stadig større energi, for å finne ut mer om universets minste bestanddeler.

Large Electron-Positron collider (LEP), som den nye maskinen het, skulle først og fremst skaffe mer informasjon om de nyoppdagede partiklene W-bosonet og Z-bosonet.

Det gjorde den også, helt fram til årtusenskiftet. Da ble LEP revet ut, for å gjøre plass til en enda kraftigere akselerator: Large Hadron Collider (LHC).

Dette var monstermaskinen som i 2012 klarte det fysikerne hadde drømt om i nesten 40 år:

Å finne higgspartikkelen.

Men nå starter selv LHC på siste akt i stykket.

Slutten i sikte for LHC

Om noen få år vil forskerne oppgradere maskinen en siste gang, til det de kaller High luminosity LHC. Den vil kunne skape enda flere og mer energirike partikkelkrasj i årene fram mot 2040.

Men så er det slutt, sier Are Raklev, professor ved Universitetet i Oslo.

– Da har vi tatt ut de dataene det er mulig å få i LHC. Utstyret vil dessuten være så gjennomstrålt at det er blitt sprøtt – slått i stykker på molekylnivå.

Og da er det store spørsmålet: Hvor går vi nå?

Hva skal ta over for verdens største partikkelakselerator?

Eller enda mer grunnleggende: Er det nødvendig at noe tar over?

Professor Are Raklev ved Universitetet i Oslo.
Professor Are Raklev ved Universitetet i Oslo.

Kan vi finne noe mer?

Disse spørsmålene har nok vært oppe ved tidligere veikryss i CERNs historie. Det er dyrt å bygge enorme maskiner og da bør utsikter til noen viktige resultater helst være på plass.

Men denne gangen er ikke helt som de andre.

Nå er vi nemlig ikke sikker på hvor mye mer det er å finne.

Ved byggingen av flere av de tidligere akseleratorer har beregninger fra den svært solide Standardmodellen alltid spådd at det skal være noe mer. Konkrete partikler som kan dukke opp når krasjene kommer opp i en viss energi.

Standardmodellen er en omfattende modell over universets krefter og byggesteiner. Den kan forklare hvorfor verden rundt oss oppfører seg slik den gjør.

Og ofte har akseleratorene innfridd. Partiklene som Standardmodellen spådde, har dukket opp, en etter en.

Den siste partikkelen

Siste del av denne suksesshistorien startet da LHC ble montert inn i tunnelen ved CERN. Hovedplanen med hele denne gigantiske maskinen var å bekrefte – eller avkrefte – eksistensen til den siste spådde partikkelen som ennå ikke var funnet:

Higgspartikkelen.

Drømmen ble som kjent virkelighet i 2012. Men hva blir neste kapittel?

Ifølge Standardmodellen er det ingen flere partikler å finne. Så er det da noen vits i å bruke penger på å bygge en enda kraftigere partikkelakselerator?

Hva skal denne akseleratoren lete etter?

Risikerer vi å bygge en gigantisk maskin, som til syvende og sist ikke finner noe nytt?

Bildet viser en framstilling av hva som skjedde i en av detektorene som fant higgspartikkelen i 2012. To partikler krasjer i midten av figuren. De fargede linjene og flekkene viser partiklene som ble skapt i sammenstøtet. Det spesielle mønsteret av partikler viser at en en higgspartikkel ble skapt i kommisjonen.
Bildet viser en framstilling av hva som skjedde i en av detektorene som fant higgspartikkelen i 2012. To partikler krasjer i midten av figuren. De fargede linjene og flekkene viser partiklene som ble skapt i sammenstøtet. Det spesielle mønsteret av partikler viser at en en higgspartikkel ble skapt i kommisjonen.

Det må finnes ny fysikk

De fleste partikkelfysikere er enige om én ting:

Det må være noe mer.

Standardmodellen sier nemlig null og niks om store deler av innholdet i universet, som mørk energi og mørk materie. Disse fenomenene må fysikken finne en forklaring på.

Det finnes teoretiske beregninger som hinter om at helt nye oppdagelser kan være innen rekkevidde. Et håp knytter seg for eksempel til hypotesen om supersymmetri, som spår hauger av nye partikler.

Men hittil har forskerne sett skuffende få tegn til at supersymmetri finnes.

Partikkelfysikken roter rett og slett litt rundt i tåka.

Finner noe med høy nok energi

Professor Erik Adli ved Universitetet i Oslo.
Professor Erik Adli ved Universitetet i Oslo.

Mange forskere tror likevel at spor av ny fysikk vil vise seg, bare vi lager akseleratorer som er kraftige nok.

– På ett eller annet energinivå vil det dukke opp noe vi ikke har sett før, sier Erik Adli, professor i høyenergifysikk ved Universitetet i Oslo. Han jobber nettopp med utvikling av akseleratorteknologi.

Det er imidlertid vanskelig å si hvilket energinivå dette er snakk om, sier både Adli og andre på feltet.

– Det kan hende at den nye fysikken viser sitt ansikt på energier som er tusen ganger høyere enn det vi kan håpe på å få til i dag, sier professor Alex Read ved Universitetet i Oslo.

Har vi nådd en grense?

Det er delte meninger om hva som blir framtida for den eksperimentelle partikkelfysikken, sier Steinar Stapnes, professor i høyenergifysikk ved Universitetet i Oslo.

– Mange hardbarkede fysikere vil si at vi trenger masse mer energi, men jeg tror ikke det er så opplagt. Det er mye penger og spesielt lange tidsskalaer, og energikostnadene er en ny stor utfordring.

Stapnes mener det er verdt å stille spørsmål om vi har nådd en grense for hva det er mulig å finne ut med proton-partikkelakseleratorer som LHC, med stadig mer energi. Han har mer tro på kompakte nye teknologier og akselerasjon av andre partikler, som elektroner og myoner.

Enighet om Higgsfabrikk

– Det er ikke helt avklart hvor veien går, sier Adli fra UiO.

Professor Steinar Stapnes, Universitetet i Oslo.
Professor Steinar Stapnes, Universitetet i Oslo.

Derimot er mange fysikere ganske overbeviste om hvor ferden videre må begynne.

– For å skjønne mer av partikkelverden trenger vi å studere higgspartikkelen i detalj, sier Adli.

Det er den partikkelen vi vet minst om, fordi den ble funnet sist og fordi den er vanskelig å lage.

– Vi ønsker å bygge en maskin som kan lage masser av higgspartikler.

Da blir det nemlig mulig å finne ut hvordan higgspartikkelen spiller sammen med de andre partiklene.

Trenger mange forsøk

Vi vet at higgspartikkelen samspiller med andre partikler, og at dette gir partiklene masse, forteller Read.

Koblingen med noen partikler er veldig sterk, og skjer ofte i akseleratorkrasjene. Men andre kan skje svært sjelden. De vil vi kanskje ikke oppdage uten å lage store mengder higgspartikler.

Litt som om du skal finne ut om det er mulig å kaste en blyant, og få den til å stå på enden. Du gjør tusen mislykkede forsøk, og konkluderer med at det er umulig. Men prøver du 50.000 ganger til, skjer det kanskje likevel.

Mer data om hvordan higgspartikkelen samspiller med seg selv og andre partikler, vil fortelle oss hvordan higgsfeltet virker i universet. Det kan igjen gi oss noen hint om hvor ny fysikk kan ligge.

100 kilometer lang tunnel

Flere typer akseleratorer kan produsere higgspartikler. Det er for eksempel mulig å bygge en lineær partikkelakselerator. Den er formet som en rett linje, hvor partiklene akselereres fra hver ende og krasjer på midten.

De lineære akseleratorene er litt rimeligere å lage. Forskere jobber med planer for slike akseleratorer både ved CERN og i andre land, som Japan.

Fordelen med sirkulære akseleratorer, som LHC, er derimot at du kan holde partikkelstråler gående i ringen, og bruke dem igjen og igjen til nye krasj.

Adli mener en ny og enda større sirkulær akselerator vil være best for å studere higgspartikkelen.

Planer om en slik maskin – Future Circular Collider – er allerede i gang ved CERN.

Det er fortsatt langt fra sikkert at den noen gang blir bygd. Men tanken er å sprenge ut en 100 kilometer lang tunnel og lage en helt ny akselerator som er fire ganger større enn dagens LHC. Her vil det bli mulig å produsere hauger av higgspartikler.

Den gigantiske LHC virker liten i forhold til den 100 kilometer lange tunnelen som må graves ut, dersom planene om Future Circular Collider blir virkelighet.
Den gigantiske LHC virker liten i forhold til den 100 kilometer lange tunnelen som må graves ut, dersom planene om Future Circular Collider blir virkelighet.

Delte meninger

– Blant partikkelfysikere er det stor enighet om at vi må ha en slik higgsfabrikk, sier Adli.

Men helt enige, er de nok ikke.

Stapnes er ikke overbevist om at mer av det samme er veien å gå.

– Det er enighet om at en ny stor maskin må være en higgsfabrikk, sier han.

– Men det er veldig delte meninger om hvilken som kan bygges og finansieres, og når og hvor. Jeg har mer tro på nye tekniske løsningen enn større versjoner av LEP og LHC.

Raklev, på sin side, mener det fortsatt er mye å hente på neste generasjon med tradisjonelle akseleratorer.

– Der vil vi for eksempel kunne teste supersymmetri bredt, sier han.

Det endelige svaret trenger imidlertid ikke å bli enten eller.

Plasmaakselerator

Kanskje bygges det en lineær akselerator som kan operere i årene det tar å konstruere en ny sirkulær akselerator?

Samtidig jobber forskere langs enda flere spor. De studerer helt nye metoder for å akselerere partikler.

– Dette er ikke alternativer til akseleratorer som FCC, men parallelle veier, sier Adli.

En ide som Adli selv arbeider med, er en plasmaakselerator. Plasma er en tilstand ulike stoffer kan være i, og denne tilstanden gjør det mulig å skape ekstremt sterke elektriske felt. Tanken er at disse feltene kan brukes til å akselerere partikler.

– Vill drøm

Dersom forskerne får til dette, kan det bli mulig å lage akseleratorer som er fantastisk kraftige, men samtidig billigere og mindre plasskrevende enn dagens maskiner.

Plasmaakseleratoren ligger imidlertid langt inne i framtida, om den i det hele tatt realiseres.

– Det er en vill drøm man begynner å undersøke. Men det er viktig å se på ville ideer. Dersom vi får dette til å virke, vil det være et stort hopp framover, sier Adli.

Det kunne nok ikke Are Raklev vært mer enig i.

– Vi mennesker må lære oss å leve for hundreårene framover. Det gjelder for ting som klima- og miljøproblemer, men også for forskningen, sier han.

– Vi kan ikke bare springe etter det vi kan gjøre på kort sikt, men også legge planer i dag for ting som kommer til å skje etter vår levetid.

Vi vil gjerne høre fra deg!

TA KONTAKT HER
Har du en tilbakemelding, spørsmål, ros eller kritikk? Eller tips om noe vi bør skrive om?

Powered by Labrador CMS