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.
LHC-acceleratoren er 27 km i omkreds og ligger på grænsen mellem Schweiz og Frankrig. Afløseren, FCC, bliver næsten fire gange større.
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.
Verdens tungeste kamera er CMS-detektoren, der skal optage myoner.
Detektor bag Higgs-partiklen har fået en stor opgradering
Den store CMS detektor, der optager partikler, når de kolliderer, har fået nyt vigtigt udstyr.
Langs detektorens kant er der blevet installeret 144 detektorer, der kan give et præcist billede af myoner. Myoner er, ligesom elektroner, negativt ladede partikler - dog er de 200 gange tungere.
Myoner bliver ofte ikke opdaget, da de ikke interagerer med stof. Men det skal de nye myon-detektorer nu lave om på.
Forskere håber på, at detektorerne kan gøre os klogere på, hvordan partikler interagerer, når de kolliderer med hinanden.
En af CMS-detektorens vigtigste opdagelser er Higgs-partiklen, som er karakteriseret ved at forfalde til fire myoner.
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.
Ny kæmpeaccelerator skal genskabe big bang
Fra 2035 vil CERN være klar til at foretage forsøg med den første af to gigantiske acceleratorer med en omkreds på 100 kilometer. Den første skal nærstudere higgspartiklen, mens den næste vil lede efter mørkt stof og genskabe universets ursuppe.
Funktion 1: undersøgelse
Kæmpering skal masseproducere higgspartikler
Elektroner og positroner sendes ind i acceleratoren i hvert sit rør. Da elektroner og positroner har modsat ladning, vil et magnetfelt sende dem hver sin vej. Fire steder passerer rørene gennem
detektorer, hvor partiklerne støder sammen. Sammenstødene vil skabe millioner af higgspartikler og gøre fysikerne klogere på, hvordan de atomare byggesten får deres masse ved at koble sig til higgspartiklerne.
Positroner og elektroner har modsat ladning og reagerer omvendt på det samme magnetfelt.
Funktion 2: opdagelse
Protonsammenstød skal afsløre de mørke tvillingepartikler
Selv med masser af kraft i den nye FCC-accelerator bliver det en udfordring at spore mørkt stof i form af tvillingepartiklerne. Det skyldes, at mørkt stof i sin natur er udgjort af partikler, der ikke interagerer med stof. Det betyder, at forskerne ikke kan bygge en detektor, der kan måle de forudsagte tvillingepartikler direkte, fordi mørkt stof blot vil passere lige gennem den. Men mørkt stof har masse og dermed også energi, som forskerne kan finde spor efter i detektoren.
Protoner accelereres op i hver sin retning af to kraftige magnetfelter, inden de kolliderer.
1.
Når protoner slås i stykker, spredes deres indmad, kvarker og gluoner. Når to gluoner støder sammen, omdannes de til deres tvillingepartikler, gluinoer.
2.
Hver gluino vil hurtigt henfalde til en kvark og kvarkens tvillingepartikel, der kaldes en skvark.
3.
Hver skvark henfalder til en kvark og en neutralino. Neutralinoerne forsvinder og kan ikke måles af detektoren.
4.
Dermed er der fire kvarker tilbage, og da fysikerne kender energien fra gluonkollisionen, kan de måle, om der mangler energi svarende til to neutralinoer.
Funktion 3: tidsrejse
Ny accelerator får forskerne tættere på big bang
Et splitsekund efter big bang bestod universet af en ursuppe af frie gluoner og kvarker, som er ingredienserne til protoner og neutroner. Ved at hamre blykerner med masser af protoner og neutroner sammen ved rekordhøje energier vil FCC genskabe ursuppen tilbage til under et nanosekund efter big bang, så fysikerne kan følge og studere universets skabelse i miniskala.
Blykerner opnår 99,98 pct. af lysets hastighed, inden de hamres sammen.
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.
Future Circular Collider skal levere protonsammenstød med en rekordhøj energi på 100 billioner elektronvolt.
Sammenstødene skal producere tvillingepartikler, som er forskernes bedste bud på, hvad mørkt stof består af.
Et fund af tvillingerne vil støtte superstrengteorien, som forener atomernes verden med tyngdekraften.
Den eksisterende ring, LHC, skal accelerere protonerne op i fart, inden de lukkes ind i den nye accelerator.
Acceleratorens omkreds bliver 100 km. Den skal ligge på grænsen mellem Schweiz og Frankrig.
Fire detektorer er fordelt rundt på FCC og skal opfange de enorme energier fra sammenstødene.
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 store CMS-detektor er en af fire detektorer langs LHC. Den var i 2012 med til at opdage higgspartiklen.
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.
2000 GeV tror forskere, at mørke partikler vejer – 16 gange mere end higgspartiklen.
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.