Ny accelerator skal genskabe Big Bang på Jorden
Den enorme partikelaccelerator LHC er en stor succes, men det ambitiøse fysikforsøg har fejlet i at finde mørkt stof. Nu vil forskerne bygge en ny maskine, der kan hamre partikler sammen så kraftigt, at selve big bang bliver genskabt.
Den store CMS-detektor er en af fire detektorer langs LHC. Den var i 2012 med til at opdage higgspartiklen.
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.
Jagten efter det mystiske mørke stof
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.
LHC- acceleratoren har en omkreds på 27.000 meter og er verdens største maskine.
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.
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.
Der er endnu kun få detaljer om byggeprojektet, men ifølge formanden for projektgruppen, Frank Zimmermann, vil den 100 km lange tunnel formentlig komme til at huse to forskellige acceleratorer.
Hvorfor det er planen, kan du læse mere om i Illustreret Videnskab nr. 12, hvor du også får forklaringen på, hvordan forskerne vil opdage det mørke stof, når det ikke kan opfanges af nogen menneskeskabte måleapparater.
Det næste skridt
Har du mod på mere fysik? Med et abonnement på Illustreret Videnskab bliver du taget i hånden og ført sikkert gennem fysikernes fascinerende verden – fra de mindste elementarpartikler til de tungeste sorte huller. Bestil i dag, så honorerer vi dig med et slagtilbud:
- Adgang til alle vores e-magasiner, bl.a. National Geographic, Bo Bedre og Gør Det Selv
- Et sæt lækre trådløse høretelefoner fra Vinyl Tech
- To numre af Illustreret Videnskab
Og du får endda hele pakken til beskedne 59,50 kroner – du sparer 497 kroner.
