CERN skruer op for energien i jagten på ny fysik

Sidste år kunne CERN afsløre, at det endelig var lykkedes dem at bekræfte eksistensen af Higgs-bosonen, som fysikere har søgt efter i mere end 40 år.

Den 27 kilometer lange partikelaccelerator, LHC, havde siden 2009 smadret partikler mod hinanden, mens fysikerne registrerede sprængstykkerne med deres eksperimenter og derigennem fik mulighed for at studere universets mindste byggesten.

Men da Videnskab.dk besøger det fælleseuropæiske forskningsprojekt, ligger partikelacceleratoren stille hen, og eksperimenterne er indstillet i to år.

CERN’s ingeniørkorps er nemlig i gang med at opgradere partikelacceleratoren, for indtil videre har LHC kun opereret ved halv styrke, og nu skrues der helt op for at intensivere jagten på ny fysik, der kan bryde de rammer, som tidligere fysik har dikteret.

Blandt andet skal det forklare, hvilken Higgs-boson, det egentlig er, man har fundet – for det ved fysikerne ikke selv.

Fysikkens standardmodel er en teori med mangler

»Lige nu har vi ikke fundet noget, der går ud over standardmodellen, og det er ret interessant, for standardmodellen kan ikke være den ultimative teori,« forklarer CERN’s generaldirektør, Rolf-Dieter Heuer, der har besiddet stillingen siden 2009.

Standardmodellen er den teori, som indtil videre har givet fysikerne den mest præcise beskrivelse af de 16 (17 inklusive Higgs-bosonen) fundamentale partikler, som udgør grundlaget for alt i universet. Men inden for de seneste årtier er det stået fysikerne klart, at standardmodellen har flere mangler. Først og fremmest kan den ikke forklare tyngdekraften, og så er der fænomenet mørkt stof, som menes at udgøre i omegnen af 23 procent af hele universet. Problemet er bare, at fysikerne ikke ved, hvad det mørke stof er, og standardmodellen kan ikke give dem svaret, for mørkt stof eksisterer ikke som en partikel i standardmodellen.

Derfor er fysikerne begyndt at lede efter eksperimentelle beviser på, at der er noget, som går ud over den snart 50 år gamle teori.

»Jeg vil ikke engang sige, at standardmodellen forklarer. Den beskriver, og den kan måske kun beskrive omkring 35 procent af universet,« siger Rolf-Dieter Heuer.

Higgs, Higgs-feltet og Higgs-bosonen reddede standardmodellen

Da fysikeren Peter Higgs (og fem andre fysikere) fremsatte ideen om en Higgs-boson tilbage i 1964, var det netop i et forsøg på at gøre standardmodellen i stand til at beskrive mere af vores virkelighed.

Modellen var nemlig ude af stand til at forklare massens oprindelse og især, hvorfor nogle fundamentale partikler har en masse, selvom de i teorien burde være masseløse.

For at forklare det, foreslog Peter Higgs, at der måtte være noget, som påvirkede fundamentalpartiklerne, og at det selvsamme ’noget’ tilførte partiklerne en masse gennem påvirkningen.

Han forestillede sig et altomsluttende, usynligt energifelt, et ’Higgs felt’, og at interaktionen mellem feltet og alt andet blev foranlediget af en ny, ikke-observeret fundamental partikel: Ideen om Higgs-bosonen var skabt, standardmodellens gyldighed forlænget, og alt afhang nu af eksperimenterne.

Ligner standardmodellens Higgs-boson, men er det virkelig?

Så kom sommeren 2012, hvor Rolf-Dieter Heuer kunne fortælle omverdenen, at eksperimenterne ved CERN havde bekræftet eksistensen af en ny partikel, og at der formentlig var tale om Higgs-bosonen. Spørgsmålet blandt fysikerne var nu bare, hvilken type Higgs-boson det egentlig var, de havde fundet.

»Vi ved endnu ikke, om der er tale om Higgs’en, altså standardmodellens Higgs-boson, eller om der er tale om en anden type Higgs, som kan være sammensat af flere mindre partikler,« siger Rolf-Dieter Heuer. Han forklarer, at det også kan vise sig at være en helt tredje mulighed; en Higgs-boson, som ikke passer ind i standardmodellen og derfor kun kan forklares med en teori, der bevæger sig ud over standardmodellens grænser.

Men indtil videre fastholder standardmodellen sin førerposition, og marts 2013 kunne CERN fremlægge nye analyser, der viste, at den nyopdagede partikel opførte sig, interagerede og henfaldt på mange af de måder, som standardmodellen forudsiger. Officielt bliver der nu talt om en ’Higgs-boson, som ligner standardmodellens Higgs’, men ingen tør smække kisten i for tidligt.

Svaret får vi tidligst i 2015, når opgraderingen af LHC er færdig, og partikelacceleratoren for første gang kan begynde at slynge partikler mod hinanden ved fuld styrke.

Energi skal skrues helt op trods tidligere ulykke

Ved opstarten i 2008 forårsagede en manglende svejsning mellem to af partikelacceleratorens superledere en eksplosion i tunnelen, der var kraftig nok til at forskubbe flere af de 34 tons tunge magneter inde i acceleratoren og forsinke hele eksperimentet med et års reparationer.

Siden 2009 har fysikerne holdt sig på sikker grund og har ikke turde overstige en kollisionsenergi på 7 TeV (teraelektronvolt), hvilket kun er det halve af, hvad den egentlig er bygget til.

Når eksperimenterne begynder igen om to år, starter de også forsigtigt ud, siger Rolf-Dieter Heuer, men langsomt vil de skrue op for energien, og inden den øverste grænse er nået, har de forhåbentlig nået et niveau, hvor de kan finde ny fysik – og endeligt afgøre, om Higgs-bosonen er den Higgs-boson, som standardmodellen forudsiger.

Højenergi varsler længe ventet opgør med standardmodellen

Generaldirektøren er spændt. Han er sikker på, at de finder noget nyt, men han vil ikke gætte på hvad. Men han er bare overbevist om, at vi har nået standardmodellens grænser.

»Standardmodellen beskriver, hvad vi ser på det energiniveau, vi er på nu, men på et højere energiniveau, må der nødvendigvis være noget andet,« siger Rolf-Dieter Heuer og sammenligner standardmodellen med Newtons tyngdelære, som i århundreder regerede, men i sidste ende måtte føje sig for Einsteins relativitetsteori, fordi sidstnævnte gav en mere præcis beskrivelse af virkeligheden.

Men opgraderingen af LHC lukker ikke kun op for noget nyt, den giver også mere af det samme. Højere energi betyder kraftigere og flere kollisioner per sekund (LHC er designet til 600 millioner kollisioner per sekund), og det betyder flere Higgs-bosoner, som fysikerne kan studere.

Det er en god ting, for tidligere har det været svært at isolere den flygtige partikel, som Rolf-Dieter Heuer forklarer:

»Forestil dig, at Higgs-bosonen er et særligt snefnug, som du skal finde midt i en snestorm. Men snestormen raser lige over en snedækket mark, og medmindre du har en meget præcis metode til at identificere det specielle snefnug, finder du det måske aldrig, fordi der er for meget baggrundsstøj. Med den højere energi får vi renere eksperimenter og flere Higgs-bosoner.«

Nyt energiniveau kan måske afsløre mørkt stof

Om standardmodellen falder eller består med Higgs-bosonen vil de næste par år vise – i mellemtiden er der stadig andre spørgsmål, som en gang for alle kan skubbe fysikken ud over standardmodellens rammer. En af de muligheder er mørkt stof.

»Vi tænker i dag på mørkt stof, som at det er en ikke-opdaget partikel, der ikke opfører sig som andre partikler på nogen tænkelig måde,« siger partikelfysiker Børge Svane Nielsen, Niels Bohr Instituttet, som er tilknyttet ALICE-eksperimentet ved CERN.

Mørkt stof har fået sit navn, fordi stoffet – hvad end det er – hverken udsender lys eller absorberer lys – faktisk har det overhovedet ingen elektromagnetisk vekselvirkning, hvilket gør det meget særegent. Man ved også, at må være tungt, for astronomerne har observeret mørkt stof i klumper omkring i galakserne, og det ville ikke kunne ske, hvis det mørke stof var for let, forklarer Børge Svane Nielsen.

Med en kollisionsenergi på 14 TeV bliver det muligt for fysikerne, at studere tungere partikler end de hidtil har kunnet – og måske endda mørkt stof.

»Det kan bestemt ikke udelukkes, at man ville kunne producere mørkt stof ved LHC. Og det forsøger man også,« siger Børge Svane Nielsen.

Tyngdekraften kan afsløres af små sorte huller

En anden ting, som i teorien kan produceres i partikelacceleratoren, er sorte huller.

Sker det, er det et tegn til fysikerne om, at de er i gang med at prikke til tyngdekraftens inderste indre – hvilket vil være ganske interessant, for tyngdekraften, som er beskrevet af Einsteins generelle relativitetsteori er, trods vores lange bekendtskab med den, stadig den naturkraft vi har sværest ved at forene med de tre andre naturkraft, som alle er forenet under kvantemekanikken.

En teori er, at tyngdekraften er båret af en anden teoretisk partikel: En graviton. Og hvis fysikerne kan bekræfte den eksperimentelt, vil de være et skridt tættere på at have den eftersøgte ’teori om alting’.

Vil opgraderingen af partikelacceleratoren være nok til det? Børge Svane Nielsen mener, at vi må vente lidt endnu:

»Man skal ikke udelukke det, for det kommer an på, hvordan naturen ender op med at være indrettet. Men jeg tror ikke, det sker nu, for det hele bliver lidt spekulativt, når man skal til at lave sorte huller. Jeg kunne godt frygte, at man skulle op på væsentligt højere energi, før man kan se det. Det vil være mit gæt.«

Partikelaccelerator på fuld kraft giver nye spørgsmål

Mens CERN’s ingeniørerne arbejder på partikelacceleratoren dybt under jorden, fortsætter fysikerne med at trække resultater ud fra det enorme bagkatalog af data fra de seneste års eksperimenter.

De seneste fund bliver i disse dage præsenteret på konferencer omkring i Europa.

Generaldirektør Rolf-Dieter Heuer siger i en officiel pressemeddelelse, at der ikke kommer nogen sensationelle nyheder ud fra det fælleseuropæiske kompleks i år, men lover masser af spændende fysik.

Den rigtig spændende fysik må nok vente indtil 2015, når LHC langsomt starter op igen. Forventningerne er i hvert fald til stede:

»Vi skal huske på, at det lykkedes os at finde Higgs-bosonen med forsøg ved en lavere energi og på en lavere skala,« siger Børge Svane Nielsen.

Først nu – eller rettere om to år – bliver det muligt at lave forsøgene på en skala, hvor fysikerne virkelig kan studere det stof, som de frembringer, siger han.

Og så kommer den nye fysik helt af sig selv.

»Vi kender spørgsmålene for de næste tre år, men det er jo sådan, at jo mere vi får at vide om verden, jo mere finder vi ud af, at vi ikke ved. Så de fleste af spørgsmålene kender vi faktisk slet ikke endnu,« siger Børge Svane Nielsen.