Världens största maskin får en gigantisk storebror

Partikelacceleratorn LHC har varit en stor succé, men någon mörk materia har forskarna inte hittat. Nu vill de bygga en ny maskin som kan få partiklar att kollidera med en sådan kraft att stora smällen kan återskapas.

Partikelacceleratorn LHC har varit en stor succé, men någon mörk materia har forskarna inte hittat. Nu vill de bygga en ny maskin som kan få partiklar att kollidera med en sådan kraft att stora smällen kan återskapas.

CERN

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.

Model af CERN's Future Circular Collider
© CERN

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.

CMS-detektorn är världens tyngsta kamera och den ska fånga myoner.

© CERN

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.

© google earth

1959: Proton Synchrotron

Protonsynkrotronen var den första maskinen på Cern som kunde accelerera protoner och därmed åstadkomma betydligt mer energirika kollisioner än tidigare. I dag föraccelererar den protoner innan de skickas in i LHC.

  • Namn: Proton Synchrotron
  • Omkrets: 628 meter
  • Högsta energi: 28 GeV

1976: Super Proton Synchrotron

I superprotonsynkrotronen kolliderade protoner med antiprotoner. År 1983 hittade forskarna på så sätt W- och Z-partiklarna, som ligger bakom den svaga kärnkraften. Upptäckten ledde till Nobelpriset i fysik.

  • Namn: Super Proton Synchrotron
  • Omkrets: 6 900 meter
  • Högsta energi: 450 GeV

1989: Large Electron-Positron Collider

LEP var den första acceleratorn i tunneln som i dag hyser LHC. Genom att få elektroner att kollidera med positroner kunde fysikerna bevisa att all materia består av sex sorters kvarkar, tre sorters elektroner och tre sorters neutrinor.

  • Namn: Large Electron-Positron Collider
  • Omkrets: 27 000 meter
  • Högsta energi: 209 GeV

2008: Large Hadron Collider

År 2012 upptäckte LHC-acceleratorn Higgspartikeln, som ger alla övriga partiklar massa genom att binda till dem. Upptäckten bevisade standardmodellen, den stora teori i vilken elementarpartiklarna beskrivs.

  • Namn: Large Hadron Collider
  • Omkrets: 27 000 meter
  • Högsta energi: 13 000 GeV

2035: Future Circular Collider

Cerns nästa jätteprojekt är att uppföra Future Circular Collider (FCC). Den har drygt sju gånger så mycket energi som LHC och ska fastställa om den osynliga mörka materian utgörs av så kallade tvillingpartiklar. När FCC invigs kommer LHC att göras om till en föraccelerator som ska förse den nya ringen med partiklar.

  • Namn: Future Circular Collider
  • Omkrets: 100 000 meter
  • Högsta energi: 100 000 GeV

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.

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.

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.

© CERN

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.