En partikkelakselerator, som Large Hadron Collider (LHC) ved CERN i Sveits, er en maskin som får universets minste bestanddeler til å smelle inn i hverandre.

Kollisjonene provoserer fram nye partikler, og håpet er at spor etter helt nye, grunnleggende bestanddeler av universet vil dukke fram i et meget kort øyeblikk.

Men det går an å kollidere flere forskjellige typer partikler, med forskjellige resultater.

LHC ved CERN er bygget for å kollidere protoner. Dette er atomkjernene til hydrogenatomer, hvor elektronet er skrellet av.

Fra 1989 til 2000 ble den samme 27 kilometer lange tunnelen hos CERN brukt til en annen type maskin - Large Electron-Positron-Collider (LEP) - som kolliderte elektroner.

Men LHC er en slegge, som kan kollidere partikler i rotete kollisjoner med høy energi. På sin side kunne LEP gi svært nøyaktige målinger av kollisjonene mellom elementærpartikler, men energien var mye lavere.

Stabile og ustabile

Presise målinger fra LEP har gitt noe av grunnlaget i standardmodellen - beskrivelsen av de mest fundamentale partiklene i universet.

Og ideen er enkel: Jo høyere energi du klarer å kollidere partiklene i, jo større sannsynlighet er det for at du finner noe nytt som ikke passer inn i dagens forståelse av fysikk.

Partiklene som brukes i disse maskinene har en stor fordel: De forsvinner ikke mens du prøver å håndtere dem inne i maskinen.

– Opp til i dag har vi bare brukt stabile partikler: elektroner, positroner eller protoner, sier Are Raklev til forskning.no. Han er professor og teoretisk fysiker ved Universitetet i Oslo.

– For eksempel hentes protonene som brukes i LHC fra en liten flaske med hydrogen.

Men de aller fleste av de kjente partiklene i universet er ikke stabile. De eksisterer i en ørliten brøkdel av et sekund, før de blir til andre, mer stabile partikler.

Her kan vi introdusere myonet, partikkelen som potensielt kan gjøre akseleratorer både billigere og mye kraftigere enn det som finnes i dag.

Hvis det ble bygget en myon-akselerator i den samme tunnelen som LHC, kan den kollidere myoner med den samme energien som den fire ganger så store Future Circular Collider (FCC)- et av forslagene som ligger på bordet hos CERN i dag. Dette beskriver CERN i en mulighetsstudie.

Myonet har flere andre fordeler også, som vi skal komme tilbake til. Men hvis dette er et så godt alternativ, hvorfor bygger ikke fysikerne bare en slik maskin med en gang?

Blant annet fordi myonet eksisterer i det som virker som et umulig kort tidsrom: 2,2 milliondeler av et sekund i snitt. Etter dette går energien over i andre, mer stabile partikler.

– Skal du kollidere dem, så har du dermed et problem, sier Raklev.

På denne tiden må altså myoner produseres, samles i en stråle, akselereres og kollideres. Så hvordan kan det i det hele tatt være mulig?

Svaret har blant annet med Einstein å gjøre.

Kjøling av partikler

Først noen helt grunnleggende ting om partikkelakseleratorer. De fungerer ved at du samler sammen massevis av partikler, som sendes i to stråler mot hverandre til de kan kollideres.

– Disse tingene er så små at du ikke kolliderer en og en partikkel, du må ha veldig mange partikler.

Dermed blir en kollisjon mer sannsynlig. Men før du kommer dit, må alle partiklene samles sammen og tvinges til å gå i en retning.

Dette kalles kjøling av partiklene.

Raklev forklarer at du produserer myoner ved å bombardere et tungt materiale med protoner. Dette skaper en annen type partikkel, kalt pioner, som igjen henfaller til myoner.

– Da går de i alle retninger, så du må kjøle dem ned og akselerere dem.

Alt dette må skje i en knøttlite tidsrom, fordi du har bare noen milliontedeler av et sekund før de forsvinner.

Men det er nettopp denne kjølingen som en forskergruppe, kalt Muon Ionization Cooling Experiment (MICE), har demonstrert og beskrevet i en ny artikkel i tidsskriftet Nature.

Einstein og myonene

– Det at man demonstrerer denne kjølingen er et viktig steg videre, sier Raklev til forskning.no.

– Kjølingen er et kritisk steg.

Prosessen er teknisk beskrevet i forskningsartikkelen, og den går ut på å produsere myoner, og så sende dem gjennom flere forskjellige stadier.

Raklev forklarer at myonene som går i alle retninger blir bremset ned av en væske. Når de går ut av denne væsken går de inn i elektriske felt som gir dem større hastighet, men bare i den retningen som forskerne ønsker.

Dette skjer flere ganger etter hverandre, og til slutt ender de opp i en samlet stråle - forskerne kaller den laser-lignende - som teoretisk sett kan brukes i en akselerator.

De har dermed vist at dette faktisk fungerer, men det må skaleres opp og flere andre problemer må løses.

I vår dagligdagse oppfatning av verden, virker det kanskje uforståelig at alt dette kan skje i det ørlille tidsrommet som myonet faktisk eksisterer.

– Og for dette stakkars myonet, så går tiden fryktelig fort. Men vi har Einstein og spesiell relativitetsteori, sier Raklev optimistisk.

Når myonet akselereres opp mot lysests hastighet, begynner nemlig selve tiden å endre seg.

Dette kalles tidsdialatasjon, og er en av de mest kjente, bekreftede konsekvensene av Einsteins relativitetsteori.

Når noe beveger seg opp mot lysets hastighet, for eksempel et myon, vil myonet føle tidens gang som helt normal. For myonets del, eksisterer det i 2,2 milliontedel av et sekund i snitt enten det er i ro eller går veldig fort.

Men for noen som ser på myonet og er i ro, vil det virke som om tiden går mye saktere for partikkelen.

Dette er et fenomen som er bekreftet mange ganger, også for myoner som treffer jorden. Et myon som raser gjennom atmosfæren, varer i snitt 48 milliondeler av et sekund fra jordens perspektiv, ifølge fysikeren Andrew Steanes bok om relativitetsteori.

Dette er altså mange ganger lengre enn den absolutte levetiden, og lenge nok til å kunne bruke myoner i en partikkelknuser.

Men hva slags andre fordeler har myonet?

Et digert elektron?

Undersøkelser av myonet har vist at det har mange av de samme egenskapene som et elektron, men at det er mye mer massivt. Nesten 207 ganger mer massivt enn sin lette tvilling.

Du og jeg blir også hele tiden bombardert med myoner som går i nær lysets hastighet, men de går tvers gjennom oss. De dannes når høyenergiske kosmiske stråler slår inn i atomer i atmosfæren, som fører til et konstant regn av denne partikkelen over jordoverflaten.

Men som elektronet, er myonet er en elementærpartikkel. Såvidt fysikerne vet, er ikke disse partiklene satt sammen av noe annet, enda mindre. Dette har mye å si for partikkelens egenskaper i en partikkelknuse-maskin.

Hvis du kolliderer to myoner, vil all energien i kollisjonen gå mot å lage nye partikler.

Slik er det ikke med protonene i LHC, som er sammensatte partikler av kvarker. Dette gjør at kollisjonene er mer rotete og vanskeligere å måle, samtidig som at mye mindre av energien faktisk kan danne nye partikler, ifølge fysikeren Robert Ryne, som skriver i Nature.

Bremser ned

Samtidig forklarer Raklev at myoner har en annen, svært viktig egenskap når det kommer til kollisjoner.

– Alle ladede partikler som akselereres i en sirkelbevegelse sender ut stråling.

Det er snakk om elektromagnetisk stråling, og handler om samhandlingen mellom partikkelen og det elektromagnetiske feltet som brukes for å sende den opp i hastighet. Dette kalles bremsestråling.

– Etter hvert kan vi prøve å akselerere elektroner så mye vi vil, men den vil tape mer energi enn vi kan gi dem.

Han sammenligner dette med en huske, som vil svinge mindre og mindre hvis du ikke tilfører nok energi.

Og bremsestråling er et stort hinder for å nå høye energier i kollisjonsmaskiner for elektroner. Men denne strålingen henger tett sammen med partikkelens masse. Jo høyere masse, jo mindre bremsestråling.

– Myoner veier så mye mer enn elektronet at bremsestrålingen blir dramatisk mye mindre.

Dette betyr at du kan akselerere myoner opp i mye høyere energier enn elektroner, og dermed kunne se enda dypere inn i hva som gjemmer seg på universets mest fundamentale nivå.

En strålende ulempe

Men det er flere problemer med en fullskala myon-akselerator.

– En myon-akselerator kan bli det første eksempelet på at nøytrino-stråling kan bli et problem, sier Are Raklev.

Nøytrinoer er en annen type stabil elementærpartikkel som er mest kjent for å nesten ikke påvirke annen materie i det hele tatt. Milliarder på milliarder nøytrinoer går gjennom oss og jorda hvert sekund, men det er ekstremt sjeldent de i det hele tatt kan måles.

Når myonet avslutter sitt korte liv inne i akseleratoren, går partikkelens energi over til andre partikler, blant annet nøytrinoer.

Partiklene som suser rundt i akseleratoren har høy energi, så dermed får også disse nøytrinoene høy energi.

Og da kan det begynne å skje ting.

Nøytrinoer som arver denne energien kan begynne å treffe materie, etter å ha sust gjennom akseleratoren, bakken og andre hindre. Disse kollisjonene skaper radioaktiv stråling, forklarer Raklev.

Når det gjelder en tenkt akselerator inne i LHC-tunnelen, har dette spørsmålet allerede blitt utforsket. Det viser seg at du kan få konsentrasjoner med stråling over bakken, utenfor akseleratoren som overstiger myndighetenes grenseverdier.

– Det er ikke snakk om at det er farlig, det er heller at grenseverdiene er satt veldig lavt, sier Raklev.

– Men det må løses, og det gjør seg dårlig.

Det finnes potensielle måter å håndtere dette problemet på, men det er et problem som må løses.

Spørsmålet er nå om det faktisk vil bli mulig å lage en myon-akselerator, og om dette er noe som vil satses på i årene framover.

Les også:

Klinkekuler, energipakker eller bølger: Hva er egentlig en elementærpartikkel?

Referanse:

Rogers mfl: Demonstration of cooling by the Muon Ionization Cooling Experiment. Nature, 2020. DOI: 10.1038/s41586-020-1958-9 . Sammendrag