Verdens største maskine får en gigantisk storebror

Et lille bundt protoner er på vej mod sit voldsomme endeligt. Med radiobølger pumper forskerne mere og mere energi ind i bundtet, som bevæger sig gennem det smalle rør med noget nær lysets hastighed.

I et andet rør – bare få centimeter derfra – suser et identisk bundt rundt i den modsatte retning. Når bundterne passerer gennem enorme detektorer, lader fysikerne dem hamre frontalt sammen med en kraft, der ikke kan matches af nogen anden maskine i verden.

Protonerne pulveriseres, og detektorerne forsøger nu at identificere, hvilke nye og eksotiske partikler der opstår i skyen af de smadrede protoner.

Sådan har fysikerne ved det europæiske laboratorium for kerne- og partikelfysik, CERN, i årtier undersøgt universets allermindste bestanddele.

Siden 2009 har de gjort brug af den mægtige LHC-accelerator, som på mange punkter har været en stor succes, men på ét afgørende punkt er selv verdens største partikelaccelerator kommet til kort.

Allerede da forsøgene begyndte, håbede fysikerne, at de energirige kollisioner i LHC ville skabe det teoretiske mørke stof, som er afgørende for, at astronomerne kan forklare, hvordan galakserne kan rotere så hurtigt uden at kaste deres stjerner ud til alle sider.

Men mørkets partikler er ikke dukket op, og derfor planlægger CERN nu sammen med 70 forskningsinstitutioner verden over at bygge fremtidens accelerator, Future Circular Collider (FCC).

Den gigantiske maskine skal have en omkreds på 100 kilometer og vil kunne smadre protoner sammen med syv gange større kraft end LHC.

Usynlige tvillinger redder stor teori

Da forskerne ved LHC i 2012 fandt higgspartiklen, var det en monumental opdagelse. Partiklens eksistens er nemlig det definitive bevis for, at historiens mest omfattende og succesfulde fysiske teori, standardmodellen, er korrekt.

Standardmodellen er en fortegnelse over de såkaldte elementarpartikler, der kan inddeles i to typer – de atomare byggesten og de kraftoverførende partikler.

Cern’s kæmperinge har haft vokseværk gennem 60 år

Forskerne ved CERN studerer atomernes mindste bestanddele ved at skyde partikler frontalt ind i hinanden ved høje hastigheder og undersøge fragmenterne. I takt med at fysikerne har jagtet endnu sjældnere partikler, er energien i forsøgene vokset – og dermed også størrelsen på ringene.

Blandt de atomare byggesten findes tolv partikler: seks forskellige kvarker, tre typer elektroner og tre slags neutrinoer. Med disse grundingredienser kan alle atomer i universet frembringes.

Standardmodellen beskriver også tre af de fire fundamentale naturkræfter – den elektromagnetiske kraft, den stærke kernekraft og den svage kernekraft, som hver især har sin egen kraftpartikel.

Den kendteste er fotonen, som er den kraftoverførende partikel for den elektromagnetiske kraft. Men forskerne har ikke kunnet finde en kraftpartikel, der udbreder den fjerde kraft, tyngdekraften.

Fysikerne har derfor udviklet kvantegravitationsteorier, hvor massetiltrækningen mellem legemer skabes via udveksling af kraftpartikler kaldet gravitoner.

Men teorien går kun matematisk op, hvis der til hver af elementarpartiklerne findes en usynlig tvilling.

Det betyder, at standardmodellens atomare byggesten som fx kvarker må have kraftoverførende tvillinger kaldet skvarker, mens kraftpartikler som fx en foton skal have en atomar byggesten som makker kaldet en fotino.

Det var disse tvillingepartikler, som fysikerne håbede, at LHC ville finde.

Et fund af tvillingepartikler ville ikke blot bane vej for en teori, der kan forklare alle fænomener i universet, men også være bevis på, at det mørke stof findes, og dermed løse et stort problem for astronomerne.

De kan nemlig ikke forklare, hvordan stjernerne kan have så høj en hastighed i deres kredsløb om galaksernes centrum uden at blive kastet væk – medmindre tyngdekraften fra et usynligt mørkt stof holder dem fast.

LHC har ikke kræfter nok

I fysik er masse og energi to sider af samme sag. Jo tungere partikler er, jo højere er deres energi, og derfor måles partiklers masse ofte i energienheden gigaelektronvolt (GeV).

Efter at have analyseret milliarder af protonsammenstød i LHC er fysikerne nået frem til, at tvillingepartiklerne som minimum må have en masse på 1-2000 GeV.

Men jo tungere partiklerne er, jo mere energi kræver det også at frembringe dem i acceleratorerne. Det er usikkert, om LHC er i stand til at producere så tunge partikler – higgspartiklen vejer fx blot 125 GeV.

Derfor har fysikerne brug for en ny gigantisk accelerator, der kan levere langt mere energi.

Higgspartiklen skal nærstuderes

FCC-acceleratoren skal først stå færdig i 2035, men allerede nu har CERN nedsat en projektgruppe, der skal udtænke designet på den kommende kæmpemaskine.

Detaljerne er endnu få, men meget tyder på, at acceleratoren skal bygges i en tunnel, der får en omkreds på 100 kilometer.

Den enorme størrelse skyldes, at ladede partikler som protoner udsender stråling, når deres baner krummes, og derved mister de energi.

Den store omkreds minimerer krumningen og dermed energitabet, hvilket reducerer den energimængde, som skal pumpes ind i partiklerne, mens de cirkulerer i ringen.

Ifølge næstformanden i FCC-projektgruppen, Frank Zimmermann, vil tunnelen højst sandsynligt ende med at huse mere end én accelerator.

Først vil ingeniører formentlig få til opgave at bygge en elektron-accelerator, hvor elektroner skal kollidere med deres antipartikler kaldet positroner.

Sammenstødene mellem elektroner og positroner er simple, fordi de ikke er sammensat af mindre partikler. Ved sammenstødene omsættes elektronerne til ren energi, som derpå omdannes til partikler med en tilsvarende energi, som detektorerne fanger.

Derfor er kollisionerne renere og lettere at analysere, og det gør en elektron-accelerator perfekt til præcisionsmålinger.

Den nye maskine vil være i stand til at producere millioner af higgspartikler, mens LHC i hele sin levetid frem til 2035 kun vil frembringe omkring tusind af dem.

En higgs er den elementarpartikel, som er ansvarlig for, at alt i universet har en masse. Fysikerne ved, at higgs kobler sig til de øvrige elementarpartikler, og at partiklens masse afhænger af koblingens styrke.

Elektroner kobler sig fx med en beskeden kraft til higgspartiklerne og har dermed en lille masse, mens kvarker er tungere, fordi de kobler kraftigere.

Med den nye maskine får fysikerne mulighed for at nærstudere koblingsmekanismen.

Efter nogle år vil elektronacceleratoren blive pillet ned og erstattet af en proton-accelerator. Protoner har den fordel, at de har 2000 gange større masse end elektroner og kan levere langt mere energirige kollisioner.

I modsætning til elektronacceleratoren kan den bruges til at opfange nye partikler. Ved hjælp af protonsammenstød kan fysikerne opnå en rekordhøj kollisionsenergi på 100.000 GeV, som muligvis bliver nødvendig for at producere tvillingepartiklerne.

Ulempen ved protonacceleratorer er, at det er svært at analysere sammenstødene. Protoner er sammensat af de mindre atomare byggesten kvarker og kraftpartiklerne gluoner, og derfor er skyen af partikler, der spredes i kølvandet på en protonkollision, langt mere kompleks end ved elektroner.

Hvis acceleratoren finder tvillingepartikler, vil det være århundredets opdagelse, da det med ét slag vil løse en række hovedbrud i både fysikken og astronomien.

Hvis FCC omvendt ikke finder det mørke stof, ved forskerne med sikkerhed, at tvillingepartiklerne ikke findes, da de i så fald ville være for tunge.

Så selv endnu et fejlslagent forsøg på at finde mørkets partikler vil føre forskerne et skridt tættere på, hvad mørkt stof er.