»Et stort bæst«: CERN planlægger næste version af verdens største maskine
Verdens største og kraftigste accelerator, Large Hadron Collider ved CERN, har kun været i brug siden 2010, men arvtageren – »et rigtig stort bæst« – er allerede under planlægning.
large hadron collider lhs cern maskine fysik accelerator

Large Hadron Collider (LHC) er verdens største accelerator. Fysikere er allerede nu i færd med at forske i, hvordan dens arvtager skal bygges. (Foto: CERN)

Large Hadron Collider (LHC) er verdens største accelerator. Fysikere er allerede nu i færd med at forske i, hvordan dens arvtager skal bygges. (Foto: CERN)

175 meter under jorden i Schweiz gemmer der sig et af den moderne verdens største teknologiske vidundere.

En 27 kilometer lang ringformet maskine som for længst har accelereret vores viden og indsigt i partikelfysikken – og dermed i verden omkring os.  

Alene opførelsen af den kæmpemæssige accelerator, kaldet Large Hadron Collider (LHC), har krævet samarbejde mellem 10.000 forskere og ingeniører og er blevet kaldt for vor tids opførelse af pyramiderne i Egypten.

Men selvom det kun er syv år siden, at det underjordiske partikelvidunder blev taget i brug, er forskerne allerede nu i gang med at planlægge, hvem der skal være dens arvtager.

Historien Kort
  • Large Hadron Collider (LHC) er verdens største og kraftigste accelerator.
  • Forskere er i øjeblikket ved at planlægge, hvilken maskine der skal være arvtager efter LHC og arbejder med to mulige forslag.
  • Fremtidens accelerator skal sparke døren ind til ukendte dele af universet.

»Favoritten set fra vores synspunkt er en proton-maskine, som er cirka fire gange større end LHC. Omkring 100 kilometer i omkreds. Så det vil være et rigtig stort bæst,« siger Paul Collier, som er leder af strålingsafdelingen ved forskningsinstitutionen CERN, som huser LHC.

Skal åbne døren til et ukendt univers

Det 'store bæst' bærer mere rettelig navnet 'Future Circular Collider'. Hvis bæstet en dag bliver realiseret og vækket til live, vil det kunne kollidere partikler ved ekstremt høje energier – vi snakker 100 teraelektronvolt eller deromkring (tera betyder en billion).

Håbet er, at de voldsomme kræfter kan åbne et vindue til en fuldstændig ukendt del af universet.

»Sagen er, at det kun er cirka fem procent af universet, som består af det almindelige stof, vi kender til. 95 procent af universet kender vi ikke. Vi aner altså ikke, hvad det er for en type stof, størstedelen af universet består af. Men måske vil man kunne løfte lidt af sløret for det med en ny og større LHC,« siger Søren Pape Møller, som er centerleder og acceleratorekspert ved Institut for Fysik og Astronomi på Aarhus Universitet.

De mørklagte dele af universet, som forskerne fantaserer om at få indsigt i, bliver også kaldt for mørkt stof og mørk energi.

lhc cern accelerator

Skitse over, hvor stor acceleratoren 'Future Circular Collider' vil være set i forhold til den nuværende kæmpeaccelerator LHC, som ligger på CERN ved Geneve i Schweiz. LHC er 27 km i omkreds. (Illustration: CERN)

Gigantisk maskine kræver planlægning

Det kan måske lyde en smule grådigt, at fysikerne allerede nu drømmer om en ny og endnu større maskine. Men ifølge Paul Collier drejer det sig om rettidig omhu og planlægning, når fysikerne tænker på fremtidens accelerator.

»Jeg kan godt forstå, hvis det lyder mærkeligt, at vi tænker på den næste maskine samtidig med, at vi er i fuld gang med at bruge LHC. Men det tager lang tid at designe og bygge en maskine, som er så kompliceret som LHC, og uanset hvad vil den næste maskine være endnu mere kompliceret,« siger Paul Collier.

Til sammenligning forklarer han, at de første tanker om LHC blev født i 1983. Først i 2010 var det gigantiske maskineri færdigbygget og klar til brug.

»Vi vil køre med LHC frem til omkring 2040’erne eller deromkring. Så hvis vi vil være klar med et nyt projekt i 2030’erne, er vi nødt til at begynde at designe det nu,« siger Paul Collier.

Higgs-partiklen

Higgs-partiklen er en fundamental partikel, som forårsager, at alle andre partikler har masse.

Higgs-partiklen spiller derfor en central rolle i vores forståelse af, hvorfor universet ser ud, som det gør.

Higgs-partiklen blev forudsagt allerede i 1964.

I 2012 annoncerede forskere fra CERN, at de med 99,9 procents sikkerhed havde fundet Higgs-partiklen.

Senere eksperimenter har bekræftet fundet.

Kilder: Københavns Universitet

Planen er, at 'Future Circular Collider' skal være en ringformet accelerator ligesom LHC. Inde i 'Future Circular Collider' vil man også kunne skyde små partikler – protoner – op til næsten lysets hastighed og studere, hvad der sker, når protonerne tørner sammen. I LHC har sådanne proton-sammenstød mest bemærkelsesværdigt ført til opdagelsen af Higgs-partiklen i 2012 (se faktaboks).

Men hvad vil vi så opdage, hvis Future Circular Collider bliver til virkelighed?

Så vilde er kræfterne i verdens største maskine

»Ingen kan sige med sikkerhed, hvad vi vil møde ved endnu større energier. Der er mange ting, vi ikke har forstået i partikelfysikken endnu. Hvad, det nye er, bliver spændende. Man skal ikke bygge så stor en maskine, hvis ikke man tror, man møder noget nyt,« siger Søren Pape Møller fra Aarhus Universitet.

Den såkaldte standardmodel er i øjeblikket fysikernes bedste bud på, hvordan verden er skruet sammen, og hvilke partikler der findes. Men modellen kan langt fra forklare alt i universet.

»Vi ved, at noget i standardmodellen vil bryde sammen, efterhånden som vi arbejder os op på højere energiskalaer. Men vi ved stadig ikke, præcis hvor det vil ske. Vi håber stadig, at det vil være inden for LHC's rækkevidde at afsløre det. Den slags fænomener, vi kigger efter, er meget sjældne. Hvis vi får en ny maskine, vil den være meget bedre i stand til at se, hvad det er og samtidig følge det op til højere energiskalaer,« forklarer Paul Collier.

For at forstå, hvilke energier der er tale om, kan man sammenligne partiklerne, som farer rundt inden i LHC, med de franske højhastighedstog TGV.

»Man kan forestille sig, at partikelstrålen i LHC er et stort fransk TGV-tog, som kører med 500 km/t. Forestil dig sådan et tog brage ind i et andet TGV-tog med tilsvarende hastighed. Så stor er energien i LHC. Når den nye maskine står klar, kan du gange det hele med en faktor 100. Det er den slags kræfter og energi, vi taler om,« fortæller Søren Pape Møller.

Tevatron fandt aldrig Higgs

Indtil videre har historien vist, at det betaler sig at tænke større og større og vildere og vildere energier. Den amerikansk baserede accelerator Tevatron, som var verdens kraftigste, indtil LHC kom på banen, jagtede også Higgs-partiklen, men nåede aldrig i mål.

»Tevatron kørte grundlæggende med en energi på én teraelektronvolt per stråle. Vi kører med syv gange så stor en energi med LHC.«

»De toppartikler, som de formåede at opdage med Tevatron i løbet af 25 år, er i dag blevet en slags rutinepartikler, som vi kan studere i detaljen. De nåede aldrig at se Higgs med Tevatron, fordi den simpelthen ikke lå helt inden for maskinens rækkevidde,« siger Paul Collier. 

Tankerne om den næste, endnu kraftigere accelerator er født som en del af en større europæisk forskningsstrategi – Europæisk Strategi for Partikelfysik fra 2013.

Ifølge strategien skal forskerne fra CERN udføre teoretiske studier af, hvordan fremtidens arvtager efter LHC kan udformes.

LHS large hadron collider schweiz skitse accelerator

Skite over Large Hadron Collider (LHC), som ligger gemt under jorden i Schweiz. (Foto: CERN) 

Måske bliver arvtageren CLIC

Ud over 'Future Circular Collider' arbejder en forskningsgruppe også på en helt anden type arvtager kaldet 'The Compact Linear Collider' – eller bare CLIC.

Hvad betyder ordene?

Verden omkring os er opbygget af små byggesten, som kaldes atomer.

Men et atom er selv opbygget af endnu mindre byggesten – elementarpartikler – herunder:

  • Protoner, som har en positiv elektrisk ladning
  • Elektroner, som har en negativ elektrisk ladning
  • Neutroner, som er elektrisk neutrale

Antipartikler er identiske med ’almindelige’ partikler – bortset fra at de har en modsat ladning.

Forskerne har igennem en årrække været i stand til kunstigt at producere og lave forsøg med antipartikler såsom  positronen og antiprotonen

Frem for at være cirkelformet vil CLIC være en lineær accelerator, hvor partiklerne bliver sendt op i fart i en lige bane.

CLIC vil også arbejde med en anden type af partikler end protonerne, som vi kender fra LHC og Future Circular Collider.

I CLIC vil der være tale om sammenstød mellem elektroner (negativt ladede partikler) og positroner (elektronens antipartikel – det vil sige dens positive tvillingepartikel).

»Future Circular Collider og CLIC bruger forskellige teknikker, forskellige mekanismer og har lidt forskellige formål. Vi skal præsentere de to acceleratorer som potentielle faciliteter, og så er det op til fysikken, videnskaben og de finansierende organer at bestemme, hvilken en af de to maskiner der måske bliver til virkelighed i fremtiden,« siger Paul Collier.

Der er tale om et enten eller – det bliver ikke både CLIC og Future Circular Collider?

»Vi snakker om meget dyre maskiner. Jeg tror ikke, der kan blive råd til begge dele, hvis jeg skal være ærlig.«

Hvilken prisklasse snakker vi, når du siger meget dyre maskiner?

»Du bliver nødt til at vente, til vi fremlægger studierne i 2019 for at få svar på det,« siger Paul Collier.

Hvad koster gigamaskiner?

For at få en ide om prisklassen kostede opførelsen af LHC omkring 31 milliarder kroner. Acceleratoren er betalt af lande, som er medlem af CERN, herunder Danmark, som i dag står for 1,6 procent af bidragene til CERN. Herudover spytter 21 andre medlemslande penge i kassen.

»Man kan selvfølgelig spørge sig selv, om LHC var en god investering. Det, vi får ud af den, er ikke noget, der er direkte praktisk anvendeligt. Det er ikke noget, som er kommet hr. og fru Jensen til gavn i hverdagen. LHC har måske kostet en krone eller to per menneske på kloden. Er det meget eller lidt? Måske kunne vi have brugt pengene på at brødføde en befolkning i stedet. LHC laver luksusfysik. Vi får meget basal viden ud af den, men ikke noget, som kommer dagligdagen ved. Men det gør os klogere,« siger Søren Pape Møller.

Han understreger dog, at der er chance for, at den fundamentale nye viden, vi får ud af luksusfysikken, kan føre til nye opfindelser, som i sidste ende kommer til at gavne det berømte ægtepar, hr. og fru Jensen.

»Noget andet, vi får ud af store forskningsprojekter som LHC, er, at det er med til at drive teknologien fremad. Et spinoff fra den viden, vi har fra LHC og andre forskningsacceleratorer, er for eksempel, at vi laver nye kræftkanoner som dem, der er ved at blive bygget i Skejby i øjeblikket,« siger Søren Pape Møller med henvisning til strålekanoner, som kan dræbe kræftknuder ved at beskyde dem med partikler (læs mere her).

»Det presser den teknologiske udvikling til det yderste, når der investeres i store projekter, hvor man er nødt til at tænke vildt.«

 

teknologi lhc maskine accelerator partikler

Forskere planlægger ikke blot en ny arvtager efter Large Hadron Collider (LHC). De er også i gang med et 'ansigtsløft' til det store maskineri. Ansigtsløftet kræver udvikling af en række nye teknologier, som er skitseret her. Læs mere i boksen herunder. (Illustration: CERN)

LHC skal have et stort ansigtsløft

Higgs-fabrikken Large Hadron Collider (LHC) skal have et ansigtsløft til en værdi af 950 millioner Schweizerfranc – cirka 6,47 milliarder kroner.

Forskere og ingeniører er allerede i fuld gang med at bygge og planlægge den nye og forbedrede indmad til verdens største maskine.

»Vi har nu planerne klar til en stor opgradering af LHC, som vil få den til at klare sig endnu bedre. Det vil betyde, at LHC kan producere 10 gange så meget data, som den oprindeligt var planlagt til at kunne producere,« fortæller Paul Collier, som er leder af strålingsafdelingen ved CERN.

Planerne om at opgradere LHC er kendt som High-Luminosity LHC, og hvis alt går som planlagt, skal den opgraderede LHC stå klar til brug i midten af næste årti.

»Lige nu er vi i byggefasen, og vi vil installere de nye dele i midten af 2020’erne, sådan at vi kan opstarte den fuldt opgraderede maskine omkring 2026 eller deromkring,« siger Paul Collier.

»Det er en spændende tid for os, for det vil betyde kæmpestore ændringer af maskinen,« tilføjer han.

Endnu flere opdagelser på vej

Opgraderingen af LHC har været undervejs i flere år. Først gennem en fire år lang design-fase, hvor opgraderingen blev udtænkt af forskere og ingeniører, og siden 2015 har CERN hyret virksomheder, som kan bygge den nye teknologi og indmad til LHC.

Grundlæggende set skal opgraderingen gøre LHC i stand til at producere og studere endnu flere eksotiske partikler.

»LHC er en opdagelsesmaskine. Vi kan se alt det, som ligger inden for en rækkevidde af en energi på op til nogle få teraelektronvolt.«

»Men i sidste ende er det alt sammen begrænset af statistik, forstået på den måde, at hver gang to protoner rammer hinanden, kan der ske mange forskellige ting. Der er en bestemt chance for, at der vil blive produceret en Higgs-partikel eller noget andet eksotisk. Men det er langt mere sandsynligt, at der ikke vil blive produceret andet end 'affald'. 99,9 procent af kollisionerne producerer ikke rigtig noget af interesse,« forklarer Paul Collier.

Ifølge CERN vil opgraderingen af LHC betyde, at acceleratoren kan producere 15 millioner Higgs-partikler om året. Til sammenligning producerede LHC 1,2 millioner Higgs-partikler mellem 2011 og 2012.

»Jo mere data vi kan indsamle, des mere præcis viden kan vi få om partiklerne. Higgs-partiklen er en af dem, vi virkelig gerne vil få styr på – hvordan den mere præcist opfører sig. Vi vil gerne vide, om det er DEN Higgs-partikel, vi troede, det ville være – det ved vi ikke. Eller om der er flere end én Higgs-partikel, hvilket også er en mulighed,« siger Paul Collier.

Ansigtsløft kræver teknologiske nybrud

Han forklarer, at opgraderingen af LHC grundlæggende set består af to dele. For det første vil fire store for-acceleratorer, som sender stråler ind i LHC blive forbedret. Og herudover vil selve LHC blive opgraderet i området, hvor stråler af protoner tørner ind i hinanden ved høj energi.

»Vi vil gøre strålen meget mere fokuseret, sådan at den er meget, meget lille, der hvor protonerne støder sammen. I øjeblikket er det i størrelsesordenen 20 mikrometer – noget lignende en fjerdedel af bredden på et menneskehår. Med de nye fokuserende elementer i LHC kan det blive endnu mindre. Omkring en tiendedel af et menneskehår,« siger Paul Collier og tilføjer:

»Hvis det er meget småt på stedet, hvor protonerne kolliderer, er chancen for at to protoner støder sammen meget større, simpelthen fordi de bliver stuvet sammen på mindre plads. På den måde vil vi få meget mere data ud af maskinen.«

Det kan måske lyde som en simpel manøvre, men ifølge CERN afhænger High-Luminosity-opgraderingen af LHC af »en række gennembrudsteknologier, som i øjeblikket er under udvikling.«

»High-Luminosity LHC vil bruge disse pionerende teknologier for allerførste gang, hvilket ikke bare vil udvide opdagelsespotentialet for LHC, men også agere proof-of-concept for fremtidige acceleratorer,« lyder det i en pressemeddelelse fra CERN.

De nye teknologier tæller blandt andet »banebrydende 12 tesla superledende firepols-magneter.« 

Opgraderingen af CERN er en udløber af Europæisk Strategi for Partikelfysik fra 2013.

 

... Eller følg os på Facebook, Twitter eller Instagram.

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.


Se den nyeste video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab og sundhed henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's Center for Faglig Formidling med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.



Det sker