CERNs nye projekt er at opbygge en mekanisme, der vil være næsten fire gange større end den største enhed, der findes. Men hvad er det egentlig til?
The Large Hadron Collider (LHC) er uden tvivl et af de mest mystiske enheder i verden. Den sidder i en 27 kilometer lang cirkulær tunnel på grænsen mellem Frankrig og Schweiz, og dens vigtigste opgave er at kollidere de mindste partikler i universet.
Denne mekanisme blev berømt over hele verden i 2012, da CERN (European Organization for Nuclear Research) bebudede opdagelsen af Higgs boson. Teorien om eksistensen af denne elementære partikel dukkede op for mange årtier siden, de matematiske beregninger bag standardmodellen for elementære partikler antog, at den eksisterer, men ingen kunne fikse den før eksperimentet ved LHC.
Og nu taler CERN om planer for fremtiden. Eksperimenter med hjælp fra LHC er blevet udført siden 2009 med afbrydelser for at opdatere mekanismen. Nu netop sådan en pause, og LHC vil blive lanceret igen i 2021, hvorefter det vil arbejde i flere årtier.
Men de eksisterende projekter er så ambitiøse, at CERN har drøftet et forslag om at opbygge en efterfølger til LHC i flere år. Og nu er medarbejderne i organisationen klar til at dele deres vision for fremtiden.
Nu kaldet Future Circular Collider (FCC) blev planer for dens konstruktion annonceret i januar 2019. BCC er meget større og mere kraftfuld end den nuværende accelerator. Selvom dette kun er en plan, er den endnu ikke blevet accepteret. Hvis planen implementeres, vil eksperimenter ved BCC begynde i 2040'erne.
Ifølge CERN vil de samlede omkostninger til byggeri beløbe sig til lidt over 200 milliarder krooner (over 1,5 billioner rubler - ca. Transl.). Organisationens medlemslande vil finansiere projektet i flere årtier. Norge er et af 22 medlemslande i CERN og vil bidrage med cirka 240 millioner krooner (over 1,8 milliarder rubler) i 2019.
Salgsfremmende video:
Men hvorfor har vi brug for en ny partikelaccelerator, hvad forskere håber at opnå med det?
Lang-lang tunnel
LHC er lagt i den samme tunnel som den forrige partikelaccelerator, bare en ny fyldning blev placeret der. Arbejdet med den forrige enhed blev begrænset i 2000.
Men en helt ny tunnel, der er 100 kilometer lang, skal bygges til BCC. På grund af den øgede længde af partikelacceleratoren vil partiklerne kollidere med meget mere kraft.
”I hundrede år har kollision af små stykker stof med stor kraft måske været den vigtigste eksperimentelle metode til at studere materiens struktur og sammensætning,” siger Anders Kvellestad, en partikelfysiker ved Imperial College London.
Faktisk kræver CERN-planen konstruktion af flere enheder i den samme tunnel, som vil være placeret den ene efter den anden. Den første mekanisme vil kollidere elektroner og positroner, og den kan bruges til mere nøjagtige målinger og undersøgelser, for eksempel Higgs-boson, som langt fra alt er kendt.
Det vil også være muligt at detektere kvantespor for helt nye ukendte partikler uden at foretage direkte observationer.
Ny fysik?
Ud over andre eksperimenter, der involverer kollisioner af elektroner og kerner i blyatomer, er det senere planlagt at bygge en meget kraftig mekanisme, hvormed protoner vil kollidere med protoner i tunnelen.
”I partikelfysik ligner kollisionen mellem en proton og en proton en slegge, mens kollisionen mellem en elektron og en positron kan sammenlignes med en lille geologisk hammer. Førstnævnte giver mere magt, mens sidstnævnte er mere nøjagtig."
Selve partikelstrålens styrke måles i teraelektronvolt (TeV). LHC, 27 kilometer lang, kan håndtere 14 TeV, mens den nye accelerator tåler effekt op til 100 TeV.
Højere energier giver dig mulighed for at "lokke" ud mere massive partikler, som måske ikke er blevet observeret før, og det er muligt, at resultaterne af sådanne eksperimenter giver en idé om en helt ny fysik, forklarer Kvellestad.
Fordi universet stadig er fuld af ting, som forskere ikke forstår. For eksempel er der ikke noget svar på spørgsmålet om, hvad mørk energi og mørk stof egentlig er, selvom de er centrale begreber i vores nuværende forståelse af universet.
Der er også et stort problem inden for moderne fysik. Generel relativitet og kvantefeltteori, der beskriver elementære partikler, falder ikke sammen. Der er i øjeblikket ingen forklaring på selve tyngdekraften, der passer ind i begge modeller.
Uanset hvordan du ser på det, mangler der noget i at forstå universet. Mange forklaringer tilbydes, men forskere har brug for bevis.
Og fysikere håbede, at LHC's nuværende partikelaccelerator ville give et tip om ny fysik. Dette er ikke sket endnu, men LHC vil arbejde i mange flere år.
”Vi ved nu alt om nogle små, men interessante uoverensstemmelser mellem teori og praksis i de eksisterende data. Derfor forventer jeg, at resultaterne af den næste runde af LHC's arbejde viser os, om disse uoverensstemmelser skyldes den "nye fysik", eller er det kun statistiske variationer,”siger Kvellestad.
Men der er også nogen tvivl om planerne om at bygge nye partikelacceleratorer.
Vil det virkelig gøre noget?
Den tyske fysiker Sabine Hossenfelder er en af kritikerne af MCC-forslaget. Hun skrev en bog om, hvordan fysik er for optaget af ligningernes "skønhed".
I en søjle i The New York Times kritiserer hun især projektet for det faktum, at CERN tilbyder det med de samme løfter, der blev fremsat inden opbygningen af LHC: at finde mørkt stof og tydeliggøre universets oprindelse.
Problemet er, at et sådant resultat ikke kan garanteres på nogen måde, siger Hossenfelder. Fysikere var næsten sikre på, at de ville finde Higgs-bosonen ved hjælp af LHC, men nu har de ikke så lovende mål.
Supersymmetry er en teori, der forudsagde eksistensen af flere forskellige partikler, der kunne udfylde hullerne i standardmodellen, men disse partikler er endnu ikke blevet berørt i eksperimenter.
Hossenfelder argumenterer for, at fysik skulle undersøge andre muligheder for nu, og det er bedre at vente med konstruktionen af en stor accelerator, med fokus på spørgsmålet om, hvorfor de formodede partikler ikke optrådte i LHC.
Hvis du er interesseret, kan du læse mere om kritikken af projektet på hendes blog. Hun siger også, at hvis det med hjælp fra LHC i de kommende år virkelig er muligt at finde noget, kan billedet muligvis ændre sig.
Grundlæggende forskning
”Efter opdagelsen af Higss-bosonen har vi ikke længere nogen teoretiske 'garantier' for, at vi finder nye partikler i den næste generation af eksperimenter,” siger Anders Kvellestad. forskningstilstand - når ingen ved hvad der kan afsløres i det næste eksperiment."
"Der er flere eksempler på opdagelser i fysikens historie, som ingen forudså."
Kvellestad mener, at selv hvis fysikere er uenige om, hvad de kan forvente af disse eksperimenter, bør dette ikke være et argument mod at udføre store nye eksperimenter.
Takket være de nye partikelacceleratorer vil videnskabsmænd være i stand til bedre at undersøge og måle allerede kendte partikler, sagde Kvellestad.
Brug for at opbygge en større mekanisme, men ikke nu?
”Der er ingen tvivl om, at den fremtidige vej inden for partikelfysikforskning ligger gennem en større mekanisme,” siger Bjørn Samset, forsker ved Cicero Center for International Miljø- og Klimaforskning. Han er en elementær partikelfysiker ved træning og arbejdede hos CERN.
"Det eneste spørgsmål er, om det er tid til at bygge det, eller om det er bedre at fokusere på andre ting for nu."
Han mener også, at fysik sandsynligvis ville have mere fordel, hvis andre projekter først blev evalueret mere, hvilket kunne hjælpe med bedre at forstå, hvad den nye enhed nøjagtigt kan finde.
Samset nævner mørkt stof som et eksempel.
"Mange håbede, at LHC ville have nok energi til at skabe de partikler, som mørkt stof kan være lavet af."
Mange teorier er blevet fremsat, og nogle er blevet tilbagevist, men mange skal stadig verificeres. Spørgsmålet er, om det måske ikke er bedre at fokusere på andre metoder, såsom specielle sensorer, som du direkte kan fange mørkt stof på.
Hvis BCC bygges, vil dette ikke ske snart, men Samset understreger, at det er meget vigtigt at diskutere sådanne projekter på forhånd.
”Faren ved at vente er tabet af oplevelse. Teknikere hos CERN er ægte tryllekunstnere, de får acceleratoren til at gøre utrolige ting. Hvis vi ikke begynder at planlægge det næste projekt nu, kan meget af denne oplevelse gå tabt."
Samtidig mener han, at erfaringerne kan overføres inden for rammerne af andre projekter. Men han er overbevist om, at der stadig vil blive bygget enorme acceleratorer.
"En sådan mekanisme skal bygges, og den skal bygges, men måske er det for tidligt endnu?"
Lasse Biørnstad
