Ett litet knippe protoner är på väg mot sitt våldsamma slut. Med hjälp av radiovågor pumpar forskarna in alltmer energi i knippet som rör sig genom det smala röret i nära ljusets hastighet.
I ett annat rör bara några centimeter därifrån far ett identiskt knippe runt i motsatt riktning. När knippena passerar genom enorma detektorer låter fysikerna dem kollidera med en kraft som inte kan jämföras med någon annan maskin i världen.
Protonerna pulvriseras och detektorerna försöker identifiera vilka nya, exotiska partiklar som uppstår i molnet av de krossade protonerna.
På detta sätt har fysikerna vid Cern, det europeiska laboratoriet för kärn- och partikelfysik, i årtionden studerat universums minsta beståndsdelar.
Sedan år 2009 har de använt den imponerande LHC-acceleratorn, som på många sätt har varit en stor succé. Men på en avgörande punkt har till och med världens största partikelaccelerator kommit till korta.
Redan när experimenten började hoppades fysikerna att de energirika kollisionerna i LHC skulle skapa den teoretiska mörka materia som är avgörande för att astronomerna ska kunna förklara hur galaxerna kan rotera så snabbt utan att slunga sina stjärnor åt alla håll.
Men eftersom mörkrets partiklar ännu inte har dykt upp planerar Cern att, i samarbete med 70 forskningsinstitutioner runtom i världen, bygga framtidens accelerator Future Circular Collider (FCC).
Den enorma maskinen, som ska få tio mils omkrets, kommer att få protoner att kollidera med sju gånger större kraft än i LHC.
CMS-detektorn är världens tyngsta kamera och den ska fånga myoner.
Detektor bakom Higgs-partiklen har fået en stor opgradering
Den stora CMS-detektorn som fångar upp partiklar när de kolliderar har uppgraderats med ny viktig utrustning.
Längs kanten på detektorn har man installerat 144 detektorer som ska ge en korrekt bild av myoner. Myoner är, precis som elektroner, negativt laddade partiklar - de är dock 200 gånger tyngre.
Myoner upptäcks oftast inte eftersom de inte interagerar med materia. Men detta ska de nya myondetektorerna nu ändra på.
Forskare hoppas att detektorerna ska lära oss mer om hur partiklar interagerar när de kolliderar med varandra.
En av CMS-detektorns viktigaste upptäckter är Higgspartikeln som kännetecknas av att den förfaller till fyra myoner.
Osynliga tvillingar räddar teori
När forskarna vid LHC påträffade Higgspartikeln år 2012 var det en viktig upptäckt. Partikelns existens utgör nämligen det slutgiltiga beviset för att standardmodellen, historiens mest omfattande och framgångsrika fysiska teori, faktiskt stämmer.
Standardmodellen är en förteckning över de så kallade elementarpartiklarna som kan delas in i två typer, de atomära byggstenarna och de kraftöverförande partiklarna.
Cerns enorma ringar har haft växtvärk i 60 år
Genom att få partiklar att frontalkrocka med varandra i höga hastigheter och följa resultatet kan forskarna vid Cern studera atomernas minsta beståndsdelar. I takt med att fysikerna jagar ännu mer sällsynta partiklar har energin i experimenten ökat – och så även ringarnas storlek.
Bland de atomära byggstenarna finns tolv partiklar: sex olika kvarkar, tre typer av elektroner och tre sorters neutrinor. Med dessa grundstenar kan alla atomer i universum bildas.
Standardmodellen beskriver även tre av de fyra fundamentala naturkrafterna – den elektromagnetiska kraften, den starka kärnkraften och den svaga kärnkraften – som var och en har sin egen kraftpartikel.
Den mest kända är fotonen, den kraftöverförande partikeln för elektromagnetisk kraft. Forskarna har emellertid inte hittat någon kraftpartikel som avger den fjärde kraften, gravitation.
Därför har fysikerna utvecklat kvantgravitationsteorier. Enligt dessa uppstår gravitation mellan kroppar genom utväxling av kraftpartiklar, så kallade gravitoner.
Teorin går dock bara ihop matematiskt om det finns en osynlig tvilling till alla elementarpartiklar.
Det innebär att standardmodellens atomära byggstenar, exempelvis kvarkar, måste ha kraftöverförande tvillingar (så kallade skvarkar) medan kraftpartiklar som fotoner måste ha atomära tvillingar vid namn fotinor.
Fysikerna hoppades att LHC skulle hjälpa dem att hitta dessa tvillingpartiklar.
Ny jätteaccelerator ska återskapa stora smällen
Från år 2035 kommer Cern att vara redo för försök med den första av två enorma acceleratorer med tio mils omkrets. Den första acceleratorn ska studera Higgspartikeln och den andra två ska leta efter mörk materia och återskapa universums ursoppa.
Funktion 1: Studie
Jättering ska massproducera Higgspartiklar
Elektroner och positroner skickas in i acceleratorn i var sitt rör. Eftersom elektroner och positroner har motsatt laddning för ett magnetfält dem åt var sitt håll. På fyra ställen passerar rören genom detektorer i vilka partiklarna kolliderar. Vid kollisionerna skapas miljontals Higgspartiklar, som kan lära fysikerna mer om hur de atomära byggstenarna får sin massa genom att binda till Higgspartiklarna.
Positroner och elektroner har motsatt laddning och reagerar omvänt på samma magnetfält.
Funktion 2: Upptäckt
Protonkollisioner ska avslöja mörka tvillingpartiklar
Även med massor av kraft i den nya FCC-acceleratorn blir det en utmaning att spåra mörk materia i form av tvillingpartiklar. Det beror på att mörk materia till sin natur består av partiklar som inte interagerar med materia. Det innebär att forskarna inte kan bygga en detektor som mäter de förutsagda tvillingpartiklarna direkt, eftersom mörk materia bara passerar rakt igenom den. Mörk materia har dock massa och därmed även energi av vilken forskarna kan
hitta spår i detektorn.
Protoner accelereras åt var sitt håll av två starka magnetfält innan de kolliderar.
1.
När protoner slås sönder sprids det som finns i deras mitt, kvarkar och gluoner. När två gluoner kolliderar omvandlas de till sina tvillingpartiklar, så kallade gluinor.
2.
Varje gluino sönderfaller snabbt till en kvark och kvarkens tvillingpartikel, en så kallad skvark.
3.
Varje skvark sönderfaller till en kvark och en neutralino. Neutralinorna försvinner och kan inte mätas av detektorn.
4.
Därmed återstår fyra kvarkar. Eftersom fysikerna känner till energin från gluonkollisionen kan de mäta om det saknas energi motsvarande två neutralinor.
funktion 3: Tidsresa
Ny accelerator för forskarna närmare stora smällen
Bråkdelen av en sekund efter stora smällen bestod universum av en ursoppa av fria gluoner och kvarkar, protonernas och neutronernas beståndsdelar. Genom att få blykärnor med mängder av protoner och neutroner att kollidera vid höga energinivåer ska FCC återskapa ursoppan till under en nanosekund efter stora smällen, så att fysikerna kan följa och studera universums skapelse.
Blykärnor kommer upp i 99,98 procent av ljusets hastighet innan de kolliderar.
Ett fynd av tvillingpartiklar skulle inte bara bana väg för en teori som förklarar alla fenomen i universum utan även bevisa att mörk materia existerar och därmed lösa ett stort problem för astronomerna.
Forskarna kan nämligen inte förklara hur stjärnorna kan ha en så hög hastighet i sin omlopps-bana runt galaxernas mitt utan att slungas bort ifall inte gravitationen från en osynlig mörk materia håller fast dem.
LHC är inte tillräckligt kraftfull
I fysiken är massa och energi två sidor av samma mynt. Ju tyngre partiklar är, desto högre är deras energi. Därför mäts partiklars massa ofta i energienheten gigaelektronvolt (GeV).
Efter att ha analyserat miljardtals protonkollisioner i LHC har fysikerna kommit fram till att tvillingpartiklarna måste ha en massa på 1 000–2 000 GeV.
Men ju tyngre partiklarna är, desto mer energi krävs det också för att få fram dem i acceleratorer.
Det är ovisst om LHC kan få fram så tunga partiklar; Higgspartikeln väger bara 125 GeV. Därför behöver fysikerna en ny, enorm accelerator som kan ge betydligt mer energi.
Future Circular Collider ska leverera protonkollisioner med en rekordhög energi på 100 biljoner elektronvolt.
Kollisionerna ska producera tvillingpartiklar som är forskarnas bästa förslag på vad mörk materia består av.
Om tvillingarna upptäcks ger det stöd för supersträngteorin som förenar atomer med gravitationen.
Den befintliga ringen, LHC, ska accelerera protonerna innan de släpps in i den nya acceleratorn.
Acceleratorns omkrets blir 100 kilometer. Den ska ligga på gränsen mellan Schweiz och Frankrike.
Fyra detektorer är fördelade runt FCC och ska fånga upp de enorma energierna från kollisionerna.
Higgspartikeln ska granskas
FCC-acceleratorn ska vara klar först år 2035, men redan nu har Cern tillsatt en projektgrupp som ska utforma jättemaskinen.
Detaljerna är fortfarande få, men mycket tyder på att acceleratorn ska byggas i en tunnel med tio mils omkrets.
Den enorma storleken beror på att laddade partiklar som protoner avger strålning när deras bana kröks och då förlorar energi.
Den stora omkretsen minimerar krökningen och därmed energiförlusten, vilket minskar den energimängd som behöver pumpas in i partiklarna medan de kretsar i ringen.
Enligt Frank Zimmermann, projektgruppens vice ordförande, kommer tunneln sannolikt att få mer än bara en accelerator.
Först kommer ingenjörer troligtvis att få till uppgift att bygga en elektronaccelerator i vilken elektroner ska kollidera med sina antipartiklar positronerna. Kollisioner mellan elektroner och positroner är enkla, eftersom de inte består av några mindre partiklar.
Vid kollisionerna omvandlas elektronerna till ren energi, som sedan blir till partiklar med en energi som motsvarar den som detektorerna registrerar.
Därför är kollisionerna enkla att analysera, vilket gör en elektronaccelerator väl lämpad för precisionsmätningar.
Den store CMS-detektor er en af fire detektorer langs LHC. Den var i 2012 med til at opdage higgspartiklen.
Den nya maskinen kommer att kunna producera miljontals Higgspartiklar medan LHC under hela sin livslängd fram till år 2035 bara kommer att få fram cirka tusen partiklar.
Higgspartikeln är den elementarpartikel som ser till att allt i universum har massa. Fysikerna vet att Higgspartikeln binder till övriga elementarpartiklar och att dess massa beror på bindningens styrka.
Elektroner binder med relativt svag kraft till Higgspartiklarna och har därmed liten massa, medan kvarkar är tyngre eftersom deras bindning är starkare.
Med den nya maskinen kan fysikerna studera bindningsmekanismen.
Efter några år kommer elektronacceleratorn att monteras ner och ersättas av en protonaccelerator. Fördelen med protoner är att de har 2 000 gånger större massa än elektroner och därmed åstadkommer betydligt
mer energirika kollisioner.
2000 GeV tror forskarna att de mörka partiklarna väger – 16 gånger mer än Higgspartikeln.
Till skillnad från elektronacceleratorn kan den användas för att registrera nya partiklar. Med hjälp av protonkollisioner kan fysikerna uppnå en rekordhög kollisionsenergi på 100 000 GeV, som kanske kommer att krävas för att producera tvillingpartiklar.
Nackdelen med en protonaccelerator är att det är svårt att analysera kollisionerna. Protoner består av de mindre atomära byggstenarna kvarkar och kraftpartiklarna gluoner, vilket gör att molnet av partiklar som sprids i en protonkollisions kölvatten är betydligt mer komplext än vid elektronkollisioner.
Om acceleratorn hittar tvillingpartiklar kommer det att vara århundradets upptäckt, eftersom det i ett slag löser en rad olika problem för forskare inom både fysik och astronomi.
Om FCC inte hittar någon mörk materia vet forskarna att tvillingpartiklarna inte existerar, eftersom de i så fall skulle vara för tunga.
Till och med ytterligare ett misslyckat försök att hitta mörkrets partiklar kommer alltså att lära forskarna mer om vad mörk materia är.