Stadig større og kraftigere partikkelakseleratorer har gitt oss dypere innsikt i universets grunnleggende egenskaper, men det meste er fremdeles ukjent.
Kanskje kan vi få et glimt av det skjulte ved å smelle partikler sammen med enda mer rå kraft enn vi allerede gjør.
Problemet er at dette krever storskala ingeniørkunst, avsindig presis teknologi, uforståelig regnekraft og masse penger. Med mindre verdens største operative partikkelknuser hoster opp noen gode hint må det dessuten gjøres helt uten garantier.
– Vi vet ikke hvilke nye energiskalaer vi må opp i, sier fysikkprofessor og mørk materie-jeger Are Raklev ved Universitetet i Oslo (UiO).
Dermed står det internasjonale forskermiljøet for høyenergipartikkelfysikk foran et viktig veivalg.
- Kretser rundt en dvergstjerne 39 lysår unna: Forskere har funnet sju planeter som ligner på Jorda
Stor aksellerator
To stråler med partikler går i ring i hver sin retning. De møter hverandre ved fire punkter hvor detektorer registrer kollisjoner. Det er partikkelakseleratoren Large Hadron Collider (LHC) ved CERN i Sveits i et nøtteskall. Enkelt?
Den som har vært nede i grotten til ATLAS vet bedre. Den er en av detektorene og av slike dimensjoner som garantert sender haka rett i golvet.
Hvordan den fant veien gjennom et hull i bakken er en historie om imponerende ingeniørkunst. Navnet er kort for A Toroidal LHC ApparatuS.
Den er 46 meter lang, 25 meter høy og veier rundt 7000 tonn - den største detektoren som noen sinne er konstruert. Hulen ligger rundt 100 meter under bakken og har takhøyde på 35 meter. Det kunne vært plass til en katedral der nede.
Tunnelen under bakken, hvor partiklene suser rundt i tilnærmet lyshastighet, er 27 kilometer lang. Verdenshistoriens mest omfattende eksperiment, et samarbeid mellom over 10.000 forskere og over 100 land, trengs for å sondere i det aller minste. LHC dissekerer materie, for tiden ved å kollidere protoner mot protoner.
Higgs
Oppdagelsen av Higgs-partikkelen i 2012 er det største høydepunktet for LHC-fysikerne så langt. Bosonet ble forutsagt av Peter Higgs på 1960-tallet, og var limet og brikken som manglet i den rådende forståelsen av den fysikken vi kjenner - den såkalte standardmodellen.
Uten Higgs-partikkelen ville ingen av standardmodellens elementærpartikler hatt masse. LHC ble bygget slik at den garantert ville finne Higgs-partikkelen om den var der slik man trodde.
Da den viste seg et par år etter at LHC kom i gang, ble det en bekreftelse, heller enn en overraskelse. Peter Higgs fikk Nobelprisen i 2013.
Det som er litt mer smertefullt for fysikere å snakke om, er at LHC også ble bygget som en oppdagelsesmaskin inn mot det ukjente. Samtlige av verdens fysikere håper på et glimt av én eller flere helt nye partikler, gjerne noe ingen har tenkt på. Til nå har det ikke dukket opp noe slikt i dataene fra LHC.
– Jeg tror fremdeles LHC har mulighet til å oppdage supersymmetri, for eksempel, sier Raklev.
Super-hva-for-noe? Vi kommer tilbake til det.
Shackleton: Vil lage rakettdrivstoff av vann fra månen
Standardmodellen
De siste 100 årene har stadig mer avansert og plasskrevende akseleratorteknologi vært en forutsetning for fremdriften i partikkelfysikk.
Ernest Rutherford var den første som innså at atomer har kjerner – i 1909. Noen år senere oppdaget han protonet da han var den første til å splitte atomet. Rutherford foreslo partikkelakseleratorer for å utforske atomkjernene videre.
Ved midten av 1930-tallet var også nøytronet oppdaget, og kvanteteorien hadde økt forståelsen for elektronbaner. Protoner, nøytroner og elektroner var byggesteinene, og man antok at forståelsen av materiens grunnleggende struktur nærmet seg å være fullstendig. Det gjensto bare noen spørsmål om hva som holder atomkjernene sammen og slikt, trodde man.
Til fysikernes store overraskelse avslørte eksperimenter med akseleratorer at det fantes en hel jungel av partikler. Etter hvert som akseleratorene ble kraftigere og større, dukket den ene etter den andre partikkelen opp.
Tidlig på 1960-tallet var hundrevis av partikler oppdaget. Men både nøytroner, protoner og alle de nye partiklene kunne etter hvert forklares med enda mindre partikler, kalt kvarker. Ifølge dagens forståelse finnes det seks typer kvarker og seks leptoner som alle har sine antipartikler. I tillegg har vi fire kraftbærende partikler, og så Higgs-partikkelen, så klart.
Storforent teori
Standardmodellen forklarer en hel del, men fremdeles er det veldig mange spørsmål som står igjen. Blant annet gir ikke denne modellen en enhetlig beskrivelse av alle de grunnleggende kreftene.
Gravitasjonen er ikke inkludert. Finnes det en graviton-partikkel? Teorien om supersymmetri foreslår mer massive partnere for standardpartiklene, og kan potensielt føre til en storforent teori som inkluderer tyngdekraften. Om dette stemmer, burde det være mulig å finne de letteste supersymmetriske partiklene ved LHC.
Listen over foreslåtte partikler er faktisk ganske lang. Mysteriet om hvorfor universet ikke ser ut til å ha naturlig antimaterie er også uløst.
Kosmologiske og astrofysiske observasjoner viser dessuten at synlig materie bare er fem prosent av universet. Vi vet fortsatt ikke hva slags partikler som er ansvarlige for mørk materie (27 prosent) og mørk energi (68 prosent).
– Vi trodde vi visste hva alt var laget av, men så fant vi ut at det bare er en liten del av alt som finnes, så nå leter vi etter resten, sier Raklev.
- Norsk brønnteknologi: Kan bli brukt til elbillading og Mars-boring
E=mc2
Dersom kollisjonene ved LHC ikke produserer nye partikler de nærmeste årene, øker faren for at det skal enda mye større akseleratorer til for å gjøre nye oppdagelser.
Nøkkelordet er energi. For å se dypere inn i materien må partiklene kollideres med høyere energi.
Einsteins berømte ligning E=mc2 forteller at energi og masse er to sider av samme sak. Masse kan bli energi, og energi kan bli masse.
Det er nettopp det siste som er tilfelle i partikkelkollisjonene. Ved å presse partiklene opp i stadig høyere energi før de kollideres, øker også sjansen for at en hittil ukjent partikkel skal vise seg.
Fra kollisjonspunktene spruter det nemlig ut subatomære partikler. De aller fleste er observert før, men en sjelden gang kan det dukke det opp noe fysikerne ikke har sett tidligere. LHC-fysikerne trodde de så antydning til en ny partikkel i 2016, men det var en del skuffelse å spore da det viste seg at dette var en statistisk fluktuasjon.
Enda større?
Den totale energien til hver av partikkelstrålene når LHC kjører på maks, er på 362 MJ eller megajoule. Det tilsvarer omtrent et tog på 400 tonn som dundrer avgårde i 150 kilometer i timen. Energien til enkeltprotonene i strålene er på 7 TeV eller teraelektronvolt. Én teraelektronvolt tilsvarer omtrent bevegelsesenergien til én flygende mygg.
Poenget er at energien er konsentrert på et ufattelig lite område, på subatomær skala - eller rundt en million million ganger mindre enn en mygg. Å trykke to fingre mot hverandre er noe annet enn å trykke fingeren like hardt mot en nålespiss.
Siden 2015 har LHC kjørt med tilnærmet full styrke. Protonene er lette partikler, men energien de tilføres gjør at de kan brukes til å produsere tunge. Det er som om du lager en kollisjon mellom to ripsbær og får mange nye rips - men i tillegg nøtter, jordbær, bananer, pærer, epler, valnøtter, stikkelsbær og så videre.
Så langt er det likevel ikke LHC båret helt nye frukter. Hvor går veien videre når energinivåene til LHC nærmer seg godt utforsket? Er den eneste løsningen å bygge en enda større akselerator? Kan det være nødvendig å komme opp i utrolige energinivåer på for eksempel 100 millioner TeV eller mer? Selv en akselerator rundt hele ekvator ville ikke kunne få til det med dagens teknologi.
- Videreutviklet norsk teknologi hos Nasa: Norske studenter er med i prosjekt som skal finne liv på Mars
Står foran et valg
– Det beste hadde jo vært å bygge en akselerator rundt jordkloden, ute i rommet. Det er kanskje litt urealistisk. Men det ville blitt billigere å kjøle den ned, da, sier fysikkprofessor Raklev, som først og fremst er teoretiker.
Han forklarer at verdens fysikere nå står foran et valg mellom ganske høy eller veldig høy energi, ganske dyrt eller veldig dyrt, rund eller lineær, presisjonsfysikk eller oppdagelsesfysikk.
Flere nye akseleratorer er nemlig på tegnebordet rundt om i verden. Noen er tegnet i større ring og med høyere energinivå enn LHC, andre i rette linjer med mindre energinivå. Sirkelakseleratorene handler generelt om mer rå kraft og nye oppdagelser, mens de lineære leverer presisjon og kan stå for en videre utforsking av det vi allerede kjenner.
– Slik forskningsfronten ser ut nå, i jakten på det fundamentale universet, er det behov for presisjonsmålinger. Det kan selvfølgelig endre seg veldig fort. Om vi finner mørk materie ved LHC, er det andre ting som kan bli aktuelt, sier Raklev.
Da kan den rå kraften til oppdagelses-akseleratorene bli det som lokker mest. Frem til det kommer en eller annen eksperimentell indikasjon på fysikk utenfor standardmodellen, er det imidlertid ikke noe som peker mot at et bestemt energinivå er interessant å utforske.
– Kanskje de ukjente partiklene er så massive at vi trenger mye større akseleratorer enn de som er foreslått, sier Raklev.
Presisjon
Så tilbake til de lineære akseleratorene: Dette med presisjon handler om å ha bedre kontroll med hva som skjer i kollisjonsøyeblikket, slik at det blir enklere å forstå partikkelkollisjonene og se hva de produserer.
Protoner, som altså kollideres i LHC nå, er satt sammen av tre kvarker. Når et proton kolliderer med et proton, vet man derfor ikke nøyaktig hva som skjedde i kollisjonsøyeblikket. Hva smalt sammen med hva?
Å kollidere elementærpartikler er noe helt annet - for eksempel elektroner mot positroner. Da vet fysikerne akkurat hva de sendte inn i kollisjonen, og det er mulig å gjøre veldig presise målinger. Med et slikt utgangspunkt er det mulig å lære mye mer om de partiklene vi kjenner, og se om de faktisk oppfører seg slik standardmodellen forutsier.
– Presisjonsmålinger kan for eksempel fortelle oss mye mer om Higgs-bosonet, sier Raklev.
Ulempen med å kollidere elektroner mot positroner er at fysikerne ikke får disse elementærpartiklene opp i like høy energi som protonene. De taper nemlig energi når de bøyes rundt i ring. I en sirkelakselerator får partiklene et lite spark hver runde, og med mange runder blir energien høy. De lineære akseleratorene kan ikke nå samme energinivå med dagens teknologi.
- Forskning: Luft kan bli verdens neste «batteri»
Planlegger
– Jeg tror de fleste er enige i at en elektron- og positronakselerator vil være interessant, og det er mange fordeler med å gjøre den lineær istedenfor en ring, sier professor Steinar Stapnes.
Han leder CERNs forskningsaktivitet i to ulike prosjekter hvor fysikerne legger planer for lineære akseleratorer på flere titalls kilometer. Det ene planlegges ved CERN og det andre i Japan. Stapnes følger også planleggingen av en ny og større sirkelakselerator ved CERN, og sitter i et internasjonalt rådgivningspanel for en kinesisk sirkelakselerator.
Spørsmålet er hvilken av disse akseleratorene det internasjonale fysikkmiljøet eventuelt kan samle seg om - for prosjektene og kostnadene er så store at her må det samarbeides.
For LHC tok det bare to år å finne Higgs-bosonet, men selve byggingen av akseleratoren tok 20 år og kostet rundt tre millarder euro. Mye av det årlige CERN-budsjettet, hvor Norge bidrar med rundt 2,5 prosent, går i dag til å drive akseleratoren.
– Alle investeringene ved CERN er knyttet opp mot LHC i alle fall i 10 år framover, sier Stapnes.
Japan, derimot, har ikke en akselerator på denne størrelsen fra før, og ønsker et internasjonalt prosjekt. Kostnadene for den japanske lineære akseleratoren er beregnet til mellom 5-10 milliarder dollar, avhengig av hvor ambisiøst man legger opp prosjektet. Her er målet et energinivå på opp til 500 gigaelektronvolt (GeV), med muligheter for å oppgradere til 1 TeV.
– I løpet av et par års tid kan vi forvente en avgjørelse fra Japan, sier Stapnes.
I tillegg til å studere den kjente fysikken i større detalj, kan en lineær akselerator også gi en eksperimentell indikasjon for veien fremover. Ny fysikk som ligger i høyere energinivåer kan nemlig vise seg som små avvik i presisjonsmålinger.
Dyrt med større ring
Alternativet til å lage en lineær akselerator er å bygge LHCs storebror, en ring for protonkollisjoner hvor det er magnetene som legger de største begrensningene.
– Om vi skal klare å øke energien i en ring med en faktor på tre, må også størrelsen opp med en faktor på tre, og kostnadene vil stige tilsvarende. Kostnadsproblemene er derfor større enn for de lineære alternativene, sier Stapnes.
Den kinesiske ringen er planlagt til å være over 50 kilometer lang - kanskje til og med 100 kilometer, med muligheter til å komme opp i energinivåer på 50-100 TeV gjennom ulike oppgraderingsstadier. Den voksende kinesiske økonomien gir mer spillerom enn den europeiske og den amerikanske, hvor budsjettene til vitenskap ikke er økende. Kostnadene er imidlertid i ferd med å gå opp også i Kina.
– Foreløpig sier kineserne at de kan lage tunnel til partikkelstrålene betraktelig billigere enn både Japan og Europa, men det spørs om dette forandrer seg i løpet av de neste 10 årene, sier Stapnes.
- Testet på Svalbard først: Den norske radaren skal lete etter vann på Mars
Plasma
Et annet argument for å satse på en lineær akselerator er at den potensielt kan oppgraderes med plasmateknologi i fremtiden. En ring kan ikke det. Teoretisk sett kan partikler som akselereres i plasma øke energien 10-100 ganger mer per meter.
– Dagens akseleratorteknologi er utviklet og perfeksjonert over 80 år. Plasma er et nytt prinsipp for partikkelakselerasjon som har mye potensiale. Vi har begynt å forstå hvordan vi kan holde partikkelstrålene fokusert med slik teknologi, sier Erik Adli, fysikkprofessor ved UiO.
Han leder universitetets akseleratorforskning, den eneste forskningsgruppen av sitt slag i Norge. Helt siden Rolf Widerøes forskning fra 1920-tallet har Norge hatt en rekke fremstående partikkelakselerator-forskere, men de har alle arbeidet i utlandet. Først de siste årene har vi fått et miljø som er basert her hjemme. I dag er det rundt 10 personer som jobber med akseleratorteknologi ved UiO.
Sammen med andre forskere har Adli vært med å demonstrere at partikler kan akselereres opp til 5 GeV per meter med en plasmabølge. Det er likevel langt igjen før fysikerne har så mye kontroll over plasmabølgene at de kan brukes til å kollidere partikler.
– Det er en stund til vi kan gjøre høyenergifysikk ut av dette, sier Adli.
Stapnes tror det vil gå flere tiår før noen tar sjansen på å bygge en collider med plasmateknologi, men at det kan være lurt å legge muligheten for oppgradering til plasma inn i dagens planer.
Kan bytte ut LHC-magnetene
Det finnes enda en mulighet, som foreløpig ikke er noe særlig diskutert, men som Stapnes tror kan være den mest sannsynlige av alle.
LHC får ikke partikkelstrålene opp i høyere energi en 7 TeV fordi magnetfeltet ikke klarer tvinge dem i ring ved høyere energi.
– Allerede om 10 år tror jeg magnetene har utviklet seg så mye at vi kan doble det magnetiske feltet vi har ved LHC i dag. Vi kan bytte ut de magnetene vi bruker nå og lage en High Energy LHC. Da vil det være mulig å ta i bruk nesten hele den eksisterende infrastrukturen ved LHC, og et slikt prosjekt tror jeg vi har råd til, sier Stapnes.
- Robotic Drilling Systems: Nå overtar robotene alle operasjoner på boredekket
