Skrur opp energien i jakten på ny fysikk

Så langt har partikkelakseleratoren ved CERN bare kjørt på halv kraft. Fra 2015 skrur forskerne styrken helt opp i jakten på ny fysikk og feil i gamle teorier.

Publisert
Partikkeldetektoren ALICE. I de neste to årene vil det ikke være eksperimenter ved CERN, mens partikkelakseleratoren blir oppgradert. Så langt har den bare kjørt på halv styrke. (Foto: Kristian Secher)
Partikkeldetektoren ALICE. I de neste to årene vil det ikke være eksperimenter ved CERN, mens partikkelakseleratoren blir oppgradert. Så langt har den bare kjørt på halv styrke. (Foto: Kristian Secher)

Om standardmodellen:

Standardmodellen er en matematisk ramme som beskriver de 16 elementærpartiklene (17 etter oppdagelsen av Higgs-partikkelen) som er bærere av tre av de fire naturkreftene: elektromagnetismen, den svake kjernekraften og den sterke kjernekraften.

Standardmodellen er den mest brukte teorien innenfor partikkelfysikken, ettersom den har gitt det mest presise bildet av virkeligheten så langt.

Standardmodellen er imidlertid ikke komplett, og den kan blant annet ikke forklare hva mørk materie er.

Derfor har flere fysikere begynt å lete etter svar som går ut over denne modellen.

I fjor kunne CERN avsløre at de endelig kunne bekrefte eksistensen av Higgs-bosonet, som fysikerne har lett etter i mer enn 40 år.

Den 27 kilometer lange partikkelakseleratoren, LHC, hadde siden 2009 smadret partikler mot hverandre, slik at de ble brutt i stykker. Dermed kunne fysikerne studere universets minste byggesteiner.

Men når Videnskab.dk besøker det felleseuropeiske forskningsprosjektet, ligger partikkelakseleratoren uvirksom, og eksperimentene er innstilt i to år.

Ingeniørene holder nemlig på å oppgradere systemet, for inntil videre har LHC bare operert ved halv styrke. Nå skal den kjøre på full styrke, i jakten på helt ny fysikk.

Blant annet vil forskerne finne ut hvilket Higgs-boson det egentlig er man har funnet.

Fysikkens standardmodell har mangler

– Akkurat nå har vi ikke funnet noe som går ut over standardmodellen, og det er ganske interessant, for standardmodellen kan ikke være den ultimate teorien, forklarer CERNs generaldirektør, Rolf-Dieter Heuer.

Standardmodellen er den teorien som inntil videre har gitt fysikerne den mest presise beskrivelsen av de 16 (17 inklusive Higgs-bosonet) elementærpartikler som utgjør grunnlaget for alt i universet. Men i løpet av de siste tiårene har det blitt klart at standardmodellen har flere mangler.

Først og fremst kan den ikke forklare tyngdekraften, og så er det fenomenet mørk materie, som trolig utgjør om lag 23 prosent av hele universet. Problemet er bare at fysikerne ikke vet hva den mørke materien er, og standardmodellen kan ikke gi dem svaret, for det eksisterer ikke som partikler i standardmodellen.

Derfor har fysikerne begynt å lete etter eksperimentelle beviser på at det er noe som går ut over den snart 50 år gamle teorien.

– Jeg vil ikke engang si at standardmodellen gir noen forklaring. Den beskriver, og den kan kanskje bare beskrive omkring 35 prosent av universet, sier Rolf-Dieter Heuer.

Higgs reddet standardmodellen

Da fysikeren Peter Higgs (og fem andre fysikere) fremsatte ideen om et Higgs-boson i 1964, var det et forsøk på å gjøre standardmodellen i stand til å beskrive mer av virkeligheten.

Modellen var nemlig ute av stand til å forklare hvorfor elementærpartikler har masse.

For å forklare det, foreslo Higgs at det måtte være noe som påvirket partiklene, og at dette «noe» tilførte partiklene en masse.

Han forestilte seg ett altomsluttende, usynlig energifelt, et Higgs-felt, og at interaksjonen mellom feltet og alt annet ble skapt av en ny, ikke-observert partikkel. Ideen om Higgs-bosonet var skapt, og standardmodellens liv ble forlenget.

Hvilket Higgs-boson?

Så kom sommeren 2012, hvor Rolf-Dieter Heuer kunne fortelle omverdenen at eksperimentene ved CERN hadde bekreftet eksistensen av en ny partikkel, og at det antagelig var snakk om Higgs-bosonet. Spørsmålet blant fysikerne var nå hvilken type Higgs-boson det egentlig var de hadde funnet.

– Vi vet fortsatt ikke om det er standardmodellens Higgs-boson eller en annen type, som kan være sammensatt av flere mindre partikler, sier Heuer.

Han forklarer at det også kan vise seg å være en helt tredje mulighet: et Higgs-boson som ikke passer inn i standardmodellen og derfor krever en ny teori.

Men inntil videre holder standardmodellen på sin lederposisjonen, for i mars 2013 kunne CERN legge fram nye analyser som viste at den nyoppdagede partikkelen oppførte slik modellen forutsier. Det er imidlertid ingen som vil konkludere.

Svaret får vi tidligst i 2015, når oppgraderingen av LHC er ferdig, og partikkelakseleratoren for første gang kan begynne å slynge partikler mot hverandre ved full styrke.

Trosser tidligere ulykke

Ved oppstarten i 2008 forårsaket manglende sveising mellom to superledere en eksplosjon i tunnelen. Ulykken forskjøv flere av de 34 tonn tunge magnetene og forsinket hele eksperimentet med over et år på grunn av reparasjoner.

Siden 2009 har fysikerne holdt seg på sikker grunn, med kollisjonsenergi på under sju TeV (terraelektronvolt), bare halvparten av hva den egentlig er bygget for.

Når eksperimentene begynner igjen om to år, vil forskerne igjen starte forsiktig, sier Rolf-Dieter Heuer. Så vil de etter hvert skru opp energien, forhåpentligvis helt til den øverste grensen er nådd. Da vil de kanskje finne ny fysikk – og endelig avgjøre om Higgs-bosonet er av den typen som standardmodellen forutsier.

Varsler oppgjør med standardmodellen

Generaldirektøren er spent. Han er sikker på at de finner noe nytt, men han vil ikke gjette på hva. Men han er overbevist om at vi har nådd standardmodellens grenser.

– Standardmodellen beskriver det vi ser på det energinivået vi er på nå, men på et høyere energinivå må det nødvendigvis være noe annet, sier Heuer og sammenligner standardmodellen med Newtons tyngdelære, som etter flere hundre år ble erstattet av Einsteins relativitetsteori.

Men oppgraderingen av LHC lukker ikke bare opp for noe nytt, den gir også mer av det samme. Høyere energi betyr kraftigere og flere kollisjoner per sekund (LHC er designet for 600 millioner kollisjoner per sekund), og det betyr flere Higgs-bosoner som fysikerne kan studere.

Tidligere har det vært vanskelig å isolere den flyktige partikkelen, forklarer Heuer:

I standardmodellen består alt av seks forskjellige kvarker (lilla), seks forskjellige leptoner (grønne) og fire bosoner (røde) som bærer de fundamentale naturkreftene. Til sist Higgs-bosonet som forklarer hvorfor noen partikler har masse (kvarker, leptoner), mens andre ikke har (bosonene). (Foto: (Illustrasjon: Wikimedia Commons))
I standardmodellen består alt av seks forskjellige kvarker (lilla), seks forskjellige leptoner (grønne) og fire bosoner (røde) som bærer de fundamentale naturkreftene. Til sist Higgs-bosonet som forklarer hvorfor noen partikler har masse (kvarker, leptoner), mens andre ikke har (bosonene). (Foto: (Illustrasjon: Wikimedia Commons))

– Forestill deg at Higgs-bosonet er et spesielt snøfnugg som du skal finne midt i en snøstorm. Med mindre du har en svært presis metode til å identifisere det, finner du det aldri, fordi det er for mye bakgrunnsstøy. Med den høyere energien får vi renere eksperimenter og flere Higgs-bosoner.

Kan kanskje avsløre mørk materie

Det finnes også andre spørsmål som kan skyve fysikken ut over standardmodellens rammer. En av de mulighetene er mørk materie.

– Vi tenker i dag at mørk materie består av en ukjent partikkel som ikke oppfører seg som andre partikler i det hele tatt, sier partikkelfysiker Børge Svane Nielsen ved Niels Bohr Instituttet, som er tilknyttet ALICE-eksperimentet ved CERN.

Det kalles mørk materie fordi verken sender ut eller absorberer lys – faktisk har det overhodet ingen elektromagnetisk vekselvirkning, noe som gjør det svært spesielt. Man vet også at det må være tungt, for astronomene har observert store mengder mørk materie omkring i galaksene, forklarer Nielsen.

Med en kollisjonsenergi på 14 TeV blir det mulig for fysikerne å studere langt tyngre partikler hittil – og kanskje til og med mørk materie.

– Det kan absolutt ikke utelukkes at man ville kunne produsere mørk materie ved LHC. Og det forsøker man også å gjøre, sier Nielsen.

Tyngdekraften kan avsløres av små sorte hull

En annen ting som i teorien kan produseres i partikkelakseleratoren, er sorte hull.

Det vil gi fysikerne mulighet til å utforske tyngdekraftens innerste indre. Denne kraften, som er beskrevet av Einsteins generelle relativitetsteori, er fortsatt ikke forent med de tre andre naturkreftene, som er beskrevet gjennom kvantemekanikken.

En teori er at tyngdekraften bæres en annen teoretisk partikkel: et graviton. Og hvis fysikerne kan bekrefte den partikkelen eksperimentelt, vil de være et skritt nærmere den etterlengtede «teorien om alt».

Vil oppgraderingen av partikkelakseleratoren være nok? Børge Svane Nielsen mener vi må vente litt til:

LHC-tunnelen løper 27 kilometer under jorden og krysser tre landegrenser. LHC står for Large Hadron Collider. Large, fordi det er verdens største partikkelakselerator; Hadron, fordi den akselererer protoner og ioner, som begge er hadroner; Collider, fordi partiklene blir ledet rundt i to motsattrettede stråler, slik at de kan kollidere. (Foto: Kristian Secher)
LHC-tunnelen løper 27 kilometer under jorden og krysser tre landegrenser. LHC står for Large Hadron Collider. Large, fordi det er verdens største partikkelakselerator; Hadron, fordi den akselererer protoner og ioner, som begge er hadroner; Collider, fordi partiklene blir ledet rundt i to motsattrettede stråler, slik at de kan kollidere. (Foto: Kristian Secher)

– Man kan ikke utelukke det, for det kommer an på resultatene. Jeg tror ikke det skjer nå, for det hele blir litt spekulativt, når man skal lage sorte hull. Det er fare for at det kreves enda høyere energinivåer.

Skaper nye spørsmål

Mens CERNs ingeniører arbeider med partikkelakseleratoren dypt under jorden, fortsetter fysikerne å trekke ut resultater den enorme mengden data fra de siste årenes eksperimenter.

De siste funnene har nylig blitt presentert på konferanser omkring i Europa.

Generaldirektør Rolf-Dieter Heuer sier i en offisiell pressemelding at det ikke kommer noen sensasjonelle nyheter fra den felleseuropeiske organisasjonen i år.

De store nyhetene må nok vente til 2015, når LHC langsomt starter opp igjen. Forventningene er i hvert fall til stede:

– Vi må huske på at vi klarte å finnet Higgs-bosonet ved en lavere energi og på en lavere skala, sier Børge Svane Nielsen.

Først nå – eller rettere sagt om to år – blir det mulig å gjennomføre forsøk på en skala fysikerne opprinnelig hadde sett for seg, sier han.

Og da kommer den nye fysikken.

– Vi kjenner spørsmålene for de neste tre årene, men jo mer vi får høre om verden, jo mer finner vi ut at vi ikke vet. Så de fleste spørsmålene kjenner vi faktisk ikke enda, sier Nielsen.

© Videnskab.dk. Oversatt av Lars Nygaard for forskning.no.