Derfor vil CERN bygge en partikelaccelerator, der er 4 gange større end LHC
Til den nette sum af 180 milliarder danske kroner.
CERN partikelaccelerator mørkt stof materie planlægning LHC FCC Den Europæiske Organisation for Højenergifysik energi cirkeltunnel terraelektronvolt opdagelser higgboson partikelfysik

CERN's fremstilling af det nye designkoncept. (Screenshot: CERN)

Large Hadron Collider (LHC) er nok én af de mest mystiske anordninger i verden. 

Den 27 kilometer lange cirkeltunnel på grænsen mellem Frankrig og Schweiz har ét hovedformål: At få universets allermindste bestanddele til at kollidere med hinanden.

LHC-partikelacceleratoren blev verdenskendt i 2012, da CERN (Den Europæiske Organisation for Højenergifysik) annoncerede opdagelsen af Higgs-partiklen.

I flere årtier var denne elementærpartikel blot en teori; matematikken bag standardmodellen sagde, at den eksisterede, men den var ikke blevet målt før LHC-eksperimentet.

Og nu er CERN så begyndt at tale om, hvordan fremtiden ser ud.

Planlægger LHC's arvtager

CERN har brugt LHC til eksperimenter siden 2009, kun afbrudt af opgraderingspauser. Nu befinder vi os igen i en sådan en pause. Det er planen, at LHC skal starte op igen i 2021 og så fortsætte i flere årtier.

De planlagte projekter er så omfattende, at CERN allerede har været i gang med at planlægge en arvtager i flere år.

Nu er CERN klar til at fremvise deres vision for fremtiden, der foreløbigt er blevet navngivet Future Circular Collider (FCC). Planerne blev publiceret i januar 2019.

LÆS OGSÅ: CERN præsenterer plan for ny giga-partikelaccelerator: Bliver 4 gange større end LHC

FCC er meget større og mere kraftfuld end den nuværende partikelaccelerator, men planerne er stadig kun på på tegnebrættet og endnu ikke vedtaget.

Hvis planerne bliver gennemført, vil man kunne påbegynde eksperimenter omkring år 2040.

Den samlede pris vil ifølge CERN beløbe sig på cirka 24 milliarder euro - svarende til omkring 180 milliarder danske kroner, som skal finansieres af medlemslandene (deriblandt Danmark, red.)

Norge, som er én af de 22 medlemsstater, bidrog med cirka 240 millioner norske kroner i 2019.

Men hvorfor er der brug for en ny partikelaccelerator, og hvad er det egentlig, forskerne håber at få ud af den?

Her kan se CERN’s egen præsentation af projektet:

Lang, lang tunnel

LHC bruger den samme tunnel - bare med ny indmad - som den forrige partikelaccelerator, som blev nedlagt i 2000. FCC skal derimod have en helt ny 100 kilometer lang tunnel.

En længere partikelaccelerator vil betyde mere kraft i kollisionerne mellem partiklerne.

»I hundrede år har det at kollidere små materiestykker med høj energi nok været den vigtigste eksperimentelle måde at lære om stoffernes struktur og bestanddele,« forklarer Anders Kvellestad til forskning.no, videnskab.dk's norske søstersite. Han er partikelfysiker og arbejder ved Imperial College i London.

Egentlig indebærer de nye planer at bygge flere maskiner efter hinanden i den samme tunnel.

Den første maskine er en elektron-positron-kollisionsmaskine, som kan bruges till at foretage mere nøjagtige målinger af for eksempel Higgs-partiklen, som stadig er omgærdet af en hel del uvisheder.

Den kan også finde kvante-kølvand efter helt nye og ukendte partikler uden at foretage direkte observationer.

LÆS OGSÅ: Charmkvark, gluon, myon og tau: Derfor har de allermindste partikler så mærkværdige navne

Ny fysik?

I tillæg til andre eksperimenter, som involverer kollisioner mellem blyatomer og elektroner, vil man senere bygge en meget kraftfuld maskine, som kolliderer protoner med protoner i tunnelen.

»I partikelfysikken er proton-protonkollisioner som en mukkert, mens elektron-positronkollisioner er som en lille geolog-hammer. Den ene er kraftfuld, mens den anden er meget præcis,« forklarer Anders Kvellestad, som fortsætter:

»Selve partikelstrålens kraft kan måles i teraelektronvolt (TeV). Den 27 km lange LHC håndterer 14 TeV, mens den nye accelerator skal kunne klare 100 TeV. Det betyder, at man kan lokke flere massive partikler frem, som måske ikke er blevet observeret før, hvilket muligvis kan løfte sløret for en helt ny fysik.«

For der stadig er meget i universet, som forskere ikke forstår. 

Et par eksempler: Der findes ikke noget svar på, hvad mørk energi og mørkt stof egentlig er, selv om det er afgørende for vores nuværende forståelse af universet.

CERN partikelaccelerator mørkt stof materie planlægning LHC FCC Den Europæiske Organisation for Højenergifysik energi cirkeltunnel terraelektronvolt opdagelser higgboson partikelfysik

Andromedagalaksen – M31, NGC 224 – er den største galakse i den lokale galaksehob og med en afstand på 2,3 mio. lysår samtidig det fjerneste himmellegeme, der kan ses med det blotte øj. Galaksehoben er ikke massiv nok til at holde sammen, men gør det alligevel. Det  bliver forklaret med 'usynlig' mørkt stof. (Foto: Adam Evans/CC BY-SA 2.0)

Moderne fysik har et stort problem

Desuden har moderne fysik et stort problem. Den generelle relativitetsteori og kvantefeltteori, som beskriver elementærpartiklerne, passer ikke sammen.

Der findes foreløbig ingen forklaring på selve tyngdekraften, som passer i begge modeller.

Uanset hvordan man anskuer det, mangler der noget i vores forståelse af universet. Mange forklaringer er blevet foreslået, men forskerne mangler evidens.

Fysikerne håbede, at den nuværende LHC-partikelaccelerator ville løfte sløret for den nye fysik. Det er endnu ikke sket, men LHC skal jo også fortsætte i adskillige år.

»Vi ved alt om en række små, men nok så interessante afvigelser mellem teori og observationer i de eksisterende data. Så min umiddelbare forventning er, at resultaterne fra den næste LHC-runde vil levere svar på, om disse afvigelser skyldes 'ny fysik' eller tilfældige statiske variationer,« siger Anders Kvellestad.

Men netop her ligger også en del af tvivlsspørgsmålene i forhold til de nye partikelacceleratorer.

Vil FCC finde noget?

Den tyske fysiker Sabine Hossenfelder er blandt dem, der kritiserer FCC-forslaget.

Hun er forfatter til en bog, der kritiserer, at fysikken er for optaget af 'skønhed' i ligningerne. 

I en kronik i New York Times kritiserer hun forslaget, blandt andet fordi man gentager de samme løfter, som CERN fremførte, da LHC skulle bygges, nemlig at man vil lede efter mørkt materiale og universets oprindelse.

Problemet er, at man er langt fra at kunne garantere resultater, hævder Sabine Hossenfelder.

Fysikerne var temmelig sikre på, at de ville finde Higgs-partiklen med LHC, men i dag er der ikke lignende forslag på bordet.

Supersymmetri-teorien spår om flere forskellige partikler, som kan fylde hullerne i Standardmodellen, men disse supersymmetriske partikler er endnu ikke dukket op i eksperimenterne.

LÆS OGSÅ: Mulig CERN-opdagelse kan føre til teori om alting

Sabine Hossenfelder argumenterer for, at fysikken bør udforske andre muligheder, vente med at bygge større partikelacceleratorer og i stedet fokusere på, hvorfor de foreslåede hypotetiske partikler ikke er dukket op i LHC.

Hun går langt mere i dybden i sin blog, hvis du har lyst til at læse mere. Her nævner hun desuden, at hvis LHC rent faktisk skulle finde noget nyt i løbet af de kommende år, vil dette billede selvfølgelig ændre sig.

CERN partikelaccelerator mørkt stof materie planlægning LHC FCC Den Europæiske Organisation for Højenergifysik energi cirkeltunnel terraelektronvolt opdagelser higgboson partikelfysik

LHC's CMS-detektor. Stigen til højre i billedet giver et indtryk af, hvor stor anordningen er. (Foto: Julian Williams/CERN)

»Grundforskning«

»Efter Higgs-opdagelsen har vi ikke nogen teoretiske 'garantier' for at opdage nye partikler i forbindelse med den næste generation af eksperimenter,« siger Anders Kvellestad til forskning.no.

»Men det betyder egentlig bare, at partikelfysikken er tilbage i det, som er en nok så almindelig situation for grundforskningen - at man ikke ved, hvad der dukker op i næste eksperiment. I fysikhistorien er der flere eksempler på opdagelser, som ingen havde forudset.«

Anders Kvellestad mener, at selv om fysikere er uenige om, hvad man kan forvente af eksperimenterne, bør det ikke være et argument mod at foretage nye, store eksperimenter.

Med de nye partikelacceleratorer er det også helt sikkert, at forskerne vil få bedre og mere nøjagtige målinger af de partikler, vi allerede kender til, ifølge Anders Kvellestad.

Bygge større accelerator, men vente?

»Det er ikke meget tvivl om, at vejen frem for partikellfysikken ligger i en større maskine,« siger Bjørn Samset til forskning.no. 

Han er forsker ved Cicero, Center for klimaforskning i Oslo, men er uddannet partikelfysiker og har arbejdet ved CERN.

»Spørsmålet er bare, om tiden er moden til at bygge den nu, eller om feltet trænger til at fokusere på andre ting først.«

Han mener desuden, at fysikken måske er bedre tjent med at evaluere andre projekter, så man får en mere klar forventning om, hvad en gigapartikelaccelerator kan finde.

Bjørn Samset bruger mørkt stof som eksempel.

»Mange håbede, at LHC ville have energi, der var høj nok til at skabe de partikler, som mørkt stof måske består af.«

Mange teorier er blevet foreslået. Nogle er blevet tilbagevist, men der er stadig mange, som endnu ikke er blevet afprøvet.

»Bør - og vil - blive bygget«

Spørgsmålet er nu, om ikke det er bedre at fokusere på andre metoder, som eksempelvis dedikerede sensorer, hvor man kan forhåbentligt kan foretage direkte opdagelser af mørkt materiale.

Hvis FCC bliver bygget, ligger projektet stadig langt ude i fremtiden, men Bjørn Samset understreger, at det er vigtigt at tale om projekterne tilpas tidligt.

»Faren ved at vente er, at vi mister ekspertise. Teknikerne på CERN er troldmænd; de får acceleratoren til at gøre de mest utrolige ting. Hvis vi ikke påbegynder planlægningen af det næste projekt nu, vil en stor del af deres erfaringer muligvis gå tabt.«

På samme tid tror han, at ekspertisen også kan videreføres gennem andre projekter, men han er overbevist om, at gigaacceleratoren vil blive bygget.

»Den bør blive bygget, og den vil blive bygget - men måske er det endnu for tidligt?«

©Forskning.no. Oversat af Stephanie Lammers-Clark.

LÆS OGSÅ: Danmarks største partikelaccelerator tiltrækker forskere til Aarhus

LÆS OGSÅ: Nyt CERN-resultat antyder hidtil ukendt partikel

Videnskab.dk Podcast

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