Ny accelerator ska återskapa stora smällen på jorden
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.
Den stora CMS-detektorn är en av fyra detektorer längs LHC. År 2012 bidrog den till upptäckten av Higgspartikeln.
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.
Jakten på den mystiska mörka materian
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.
LHC- acceleratorn har en omkrets på 27 000 meter och är världens största maskin.
###
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.
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 kraftöver förande par tikeln 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 omloppsbana 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.