CERNs nye prosjekt er å bygge en mekanisme som vil være nesten fire ganger større enn det største enheten som finnes. Men hva er det egentlig for?
The Large Hadron Collider (LHC) er uten tvil en av de mest mystiske enhetene i verden. Den ligger i en sirkulær tunnel 27 kilometer lang på grensen mellom Frankrike og Sveits, og hovedoppgaven er å kollidere universets minste partikler.
Denne mekanismen ble berømt over hele verden i 2012, da CERN (European Organization for Nuclear Research) kunngjorde funnet av Higgs boson. Teorien om eksistensen av denne elementære partikkelen dukket opp for mange tiår siden, de matematiske beregningene bak standardmodellen for elementære partikler antok at den eksisterer, men ingen kunne fikse den før eksperimentet ved LHC.
Og nå snakker CERN om planer for fremtiden. Eksperimenter med hjelp av LHC har blitt utført siden 2009 med avbrudd for å oppdatere mekanismen. Nå, bare en slik pause, og LHC vil bli lansert igjen i 2021, hvoretter den vil fungere i flere tiår til.
Men de eksisterende prosjektene er så ambisiøse at CERN har diskutert et forslag om å bygge en etterfølger til LHC i flere år. Og nå er de ansatte i organisasjonen klare til å fortelle om sin visjon om fremtiden.
Nå kalt Future Circular Collider (FCC), ble planer for dens bygging kunngjort i januar 2019. BCC er mye større og kraftigere enn den nåværende akseleratoren. Selv om dette bare er en plan, har den ennå ikke blitt akseptert. Hvis planen blir implementert, vil eksperimenter ved BCC begynne på 2040-tallet.
I følge CERN vil de totale byggekostnadene utgjøre drøyt 200 milliarder kroner (over 1,5 billioner rubler - ca. Transl.). Organisasjonens medlemsland vil finansiere prosjektet i flere tiår. Norge er et av 22 medlemsland i CERN og vil bidra med cirka 240 millioner krooner (over 1,8 milliarder rubler) i 2019.
Salgsfremmende video:
Men hvorfor trenger vi en ny partikkelakselerator, hva forskere håper å oppnå med det?
Lang-lang tunnel
LHC er lagt i samme tunnel som den forrige partikkelakseleratoren, bare en ny fylling ble plassert der. Arbeidet med den forrige enheten ble redusert i 2000.
Men en helt ny tunnel som er 100 kilometer lang skal bygges for BCC. På grunn av den økte lengden på partikkelakseleratoren, vil partiklene kollidere med mye mer kraft.
"I hundre år har kollisjon av små stoffstykker med stor kraft vært den viktigste eksperimentelle metoden for å studere strukturen og sammensetningen av materien," sier Anders Kvellestad, partikkelfysiker ved Imperial College London.
Faktisk krever CERN-planen bygging av flere enheter i samme tunnel, som vil være plassert etter hverandre. Den første mekanismen vil kollidere elektroner og positroner, og den kan brukes til mer nøyaktige målinger og undersøkelser, for eksempel Higgs boson, som ikke alt er kjent til nå.
Det vil også være mulig å oppdage kvantespor av helt nye ukjente partikler uten å gjøre direkte observasjoner.
Ny fysikk?
I tillegg til andre eksperimenter som involverer kollisjoner av elektroner og kjerner av blyatomer, planlegges det senere å bygge en veldig kraftig mekanisme som protoner vil kollidere med protoner i tunnelen.
“I partikkelfysikk ligner kollisjonen mellom et proton og en proton en slegge, mens kollisjonen av et elektron med en positron kan sammenlignes med en liten geologisk hammer. Førstnevnte gir mer kraft, mens sistnevnte er mer nøyaktig."
Kraften til selve partikkelstrålen måles i teraelektronvolt (TeV). LHC, 27 kilometer lang, takler 14 TeV, mens den nye gasspedalen tåler kraft opptil 100 TeV.
Høyere energier lar deg "lokke ut" mer massive partikler som kanskje ikke har blitt observert før, og det er mulig at resultatene fra slike eksperimenter vil gi en ide om helt ny fysikk, forklarer Kvellestad.
Fordi universet fremdeles er fullt av ting som forskere ikke forstår. For eksempel er det ikke noe svar på spørsmålet om hva mørk energi og mørk materie egentlig er, selv om de er sentrale begreper i vår nåværende forståelse av universet.
Det er også et stort problem i moderne fysikk. Generell relativitet og kvantefeltteori, som beskriver elementære partikler, faller ikke sammen. Det er foreløpig ingen forklaring på selve tyngdekraften, som passer inn i begge modellene.
Uansett hvordan du ser på det, mangler det noe i å forstå universet. Mange forklaringer tilbys, men forskere trenger bevis.
Og fysikere håpet at den nåværende partikkelakseleratoren til LHC ville gi et hint om ny fysikk. Dette har ikke skjedd ennå, men LHC vil fungere i mange år til.
”Vi vet nå alt om noen små, men interessante avvik mellom teori og praksis i eksisterende data. Derfor forventer jeg at resultatene fra neste runde av LHCs arbeid vil vise oss om disse avvikene skyldes den "nye fysikken", eller er det bare statistiske variasjoner, "sier Kvellestad.
Men det er også noen tvil om planene om å bygge nye partikkelakseleratorer.
Vil det virkelig gjøre noe?
Den tyske fysikeren Sabine Hossenfelder er en av kritikerne av MCC-forslaget. Hun skrev en bok om hvordan fysikk er for opptatt av "skjønnheten" i ligninger.
I en spalte i The New York Times kritiserer hun prosjektet spesielt for at CERN tilbyr det med de samme løftene som ble gitt før byggingen av LHC: å finne mørk materie og tydeliggjøre universets opprinnelse.
Problemet er at et slikt resultat ikke kan garanteres på noen måte, sier Hossenfelder. Fysikere var nesten sikre på at de ville finne Higgs boson ved hjelp av LHC, men nå har de ingen så lovende mål.
Supersymmetry er en teori som spådde eksistensen av flere forskjellige partikler som kunne fylle hullene i standardmodellen, men disse partiklene er ennå ikke blitt berørt i eksperimenter.
Hossenfelder hevder at fysikken burde undersøke andre muligheter for nå, og det er bedre å vente med byggingen av en stor akselerator, med fokus på spørsmålet om hvorfor de antatte partiklene ikke dukket opp i LHC.
Hvis du er interessert, kan du lese mer om kritikken av prosjektet på bloggen hennes. Hun sier også at hvis det med hjelp fra LHC de kommende årene virkelig er mulig å finne noe, så kan bildet endre seg.
Grunnundersøkelser
"Etter oppdagelsen av Higss-bosonet, har vi ikke lenger noen teoretiske 'garantier' for at vi finner nye partikler i eksperimenter fra neste generasjon, - sier Anders Kvellestad. - Men det betyr egentlig bare at partikkelfysikken er tilbake til ganske normal for grunnleggende forskningstilstand - når ingen vet hva som kan avsløres i det neste eksperimentet."
"Det er flere eksempler på funn i fysikkens historie som ingen forutså."
Kvellestad mener at selv om fysikere er uenige om hva de kan forvente av disse eksperimentene, bør dette ikke være et argument mot å gjennomføre store nye eksperimenter.
Takket være de nye partikkelakseleratorene, vil forskere bedre kunne undersøke og måle allerede kjente partikler, sa Kvellestad.
Trenger du å bygge en større mekanisme, men ikke nå?
"Det er ingen tvil om at fremtidens vei for forskning i partikkelfysikk ligger gjennom en større mekanisme," sier Bjørn Samset, forsker ved Cicero Center for International Environmental and Climate Research. Han er en elementær partikkelfysiker ved å trene og jobbet ved CERN.
"Det eneste spørsmålet er om det er på tide å bygge det eller om det er bedre å fokusere på andre ting for nå."
Han mener også at fysikk sannsynligvis vil ha større nytte av hvis andre prosjekter ble evaluert mer detaljert først, noe som kan hjelpe bedre å forstå hva den nye enheten kan finne.
Samset nevner mørk materie som et eksempel.
"Mange håpet at LHC ville ha nok energi til å skape de partiklene som mørk materie kan være laget av."
Mange teorier har blitt fremmet og noen blitt tilbakevist, men mange må fremdeles bekreftes. Spørsmålet er om det kanskje ikke er bedre å fokusere på andre metoder, for eksempel spesielle sensorer, som du direkte kan fange mørk materie med.
Hvis BCC bygges, vil ikke dette skje snart, men Samset understreker at det er veldig viktig å diskutere slike prosjekter på forhånd.
“Faren for å vente er tap av erfaring. Teknikere ved CERN er ekte tryllekunstnere, de får gasspedalen til å gjøre utrolige ting. Hvis vi ikke begynner å planlegge neste prosjekt nå, kan mye av denne erfaringen gå tapt."
Samtidig mener han at erfaringer kan overføres innenfor rammen av andre prosjekter. Men han er trygg på at det fremdeles skal bygges enorme akseleratorer.
"En slik mekanisme bør bygges, og den skal bygges, men kanskje det er for tidlig ennå?"
Lasse Biørnstad
