CERNs nya projekt är att bygga en mekanism som är nästan fyra gånger större än den största existerande enheten. Men vad är det för?
The Large Hadron Collider (LHC) är utan tvekan en av de mest mystiska apparaterna i världen. Den sitter i en 27 kilometer lång cirkulär tunnel vid gränsen mellan Frankrike och Schweiz, och dess huvuduppgift är att kollidera de minsta partiklarna i universum.
Denna mekanism blev berömd över hela världen 2012, då CERN (European Organization for Nuclear Research) meddelade upptäckten av Higgs boson. Teorin om förekomsten av denna elementära partikel dök upp för många decennier sedan, de matematiska beräkningarna bakom standardmodellen för elementära partiklar antog att den existerar, men ingen kunde fixa den innan experimentet vid LHC.
Och nu talar CERN om planer för framtiden. Experiment med hjälp av LHC har genomförts sedan 2009 med avbrott för att uppdatera mekanismen. Nu just en sådan paus, och LHC kommer att lanseras igen 2021, varefter det kommer att fungera i flera decennier till.
Men de befintliga projekten är så ambitiösa att CERN har diskuterat ett förslag att bygga en efterträdare till LHC i flera år. Och nu är anställda i organisationen redo att berätta om sin framtidsvision.
Nu kallas Future Circular Collider (FCC), planerades för dess konstruktion i januari 2019. BCC är mycket större och kraftfullare än den nuvarande acceleratorn. Även om detta bara är en plan har den ännu inte accepterats. Om planen genomförs kommer experiment på BCC att börja på 2040-talet.
Enligt CERN kommer de totala byggkostnaderna att uppgå till drygt 200 miljarder kronor (över 1,5 biljoner rubel - ungefär Transl.). Organisationens medlemsländer kommer att finansiera projektet under flera decennier. Norge är ett av 22 medlemsländer i CERN och kommer att bidra med cirka 240 miljoner kronor (över 1,8 miljarder rubel) under 2019.
Kampanjvideo:
Men varför behöver vi en ny partikelaccelerator, vad forskare hoppas kunna uppnå med den?
Lång lång tunnel
LHC läggs i samma tunnel som den tidigare partikelacceleratorn, bara en ny fyllning placerades där. Arbetet med den föregående enheten minskades år 2000.
Men en helt ny tunnel som är 100 kilometer lång kommer att byggas för BCC. På grund av den ökade längden på partikelacceleratorn kommer partiklarna att kollidera med mycket mer kraft.
"I hundra år har kollisionen av små ämnen med stor kraft kanske varit den viktigaste experimentella metoden för att studera materiens struktur och sammansättning," säger Anders Kvellestad, en partikelfysiker vid Imperial College London.
I själva verket kräver CERN-planen konstruktion av flera enheter i samma tunnel, som kommer att placeras en efter den andra. Den första mekanismen kommer att kollidera elektroner och positroner, och den kan användas för mer exakta mätningar och forskning, till exempel Higgs-boson, om vilket inte allt är känt tills nu.
Det kommer också att vara möjligt att detektera kvantspår av helt nya okända partiklar utan att göra direkta observationer.
Ny fysik?
Förutom andra experiment som involverar kollisioner av elektroner och kärnor av blyatomer, planeras det senare att bygga en mycket kraftfull mekanism genom vilken protoner kommer att kollidera med protoner i tunneln.
”I partikelfysik liknar kollisionen mellan en proton och en proton en slägga, medan kollisionen mellan en elektron och en positron kan jämföras med en liten geologisk hammare. Den förstnämnda ger mer kraft, medan den senare är mer exakt."
Kraften hos själva partikelstrålen mäts i teraelektronvoltar (TeV). LHC, 27 kilometer lång, klarar 14 TeV, medan den nya gaspedalen tål kraft upp till 100 TeV.
Högre energier tillåter dig att "locka ut" mer massiva partiklar, som kanske inte har observerats tidigare, och det är möjligt att resultaten av sådana experiment ger en uppfattning om en helt ny fysik, förklarar Qvellestad.
Eftersom universum fortfarande är fullt av saker som forskare inte förstår. Till exempel finns det inget svar på frågan om vad mörk energi och mörk materia egentligen är, även om de är centrala begrepp i vår nuvarande förståelse av universum.
Det finns också ett stort problem i modern fysik. Allmän relativitet och kvantfältteori, som beskriver elementära partiklar, sammanfaller inte. Det finns för närvarande ingen förklaring till själva gravitationen, som passar in i båda modellerna.
Oavsett hur du ser på det saknas det något i att förstå universum. Många förklaringar erbjuds, men forskare behöver bevis.
Och fysiker hoppades att LHC: s nuvarande partikelaccelerator skulle ge en antydan om ny fysik. Detta har inte hänt ännu, men LHC kommer att fungera i många fler år.
”Vi vet nu allt om några små men intressanta skillnader mellan teori och praktik i befintliga data. Därför förväntar jag mig att resultaten från nästa omgång av LHC: s arbete visar oss om dessa skillnader beror på den "nya fysiken" eller är det bara statistiska variationer, säger Kvellestad.
Men det finns också några tvivel om planerna för att bygga nya partikelacceleratorer.
Kommer det verkligen att göra något?
Den tyska fysikern Sabine Hossenfelder är en av kritikerna av MCC-förslaget. Hon skrev en bok om hur fysiken är för upptagen av "skönheten" i ekvationer.
I en kolumn i The New York Times kritiserar hon projektet, särskilt för att CERN erbjuder det med samma löften som gjordes innan LHC: s konstruktion: att hitta mörk materia och klargöra universums ursprung.
Problemet är att ett sådant resultat inte kan garanteras på något sätt, säger Hossenfelder. Fysiker var nästan säkra på att de skulle hitta Higgs boson med hjälp av LHC, men nu har de inga så lovande mål.
Supersymmetry är en teori som förutspådde förekomsten av flera olika partiklar som kan fylla i luckorna i standardmodellen, men dessa partiklar har ännu inte berörts i experiment.
Hossenfelder hävdar att fysiken borde undersöka andra möjligheter för tillfället, och det är bättre att vänta med konstruktionen av en stor accelerator, med fokus på frågan om varför de antagna partiklarna inte förekom i LHC.
Om du är intresserad kan du läsa mer om kritiken på projektet på hennes blogg. Hon säger också att om det med hjälp av LHC under de kommande åren verkligen är möjligt att hitta något, kan bilden förändras.
Grundforskning
"Efter upptäckten av Higss-bosonet har vi inte längre några teoretiska 'garantier' för att vi kommer att hitta nya partiklar i experiment av nästa generation, säger Anders Kvellestad. - Men det betyder egentligen bara att partikelfysik är tillbaka till ganska normal för grundläggande forskningstillstånd - när ingen vet vad som kan avslöjas i nästa experiment."
"Det finns flera exempel på upptäckter i fysikens historia som ingen förutsåg."
Kvellestad anser att även om fysiker inte håller med om vad de kan förvänta sig av dessa experiment, bör detta inte vara ett argument mot att utföra stora nya experiment.
Tack vare de nya partikelacceleratorerna kommer forskare att kunna undersöka och mäta redan kända partiklar, sade Kvellestad.
Behöver du bygga en större mekanism, men inte nu?
”Det råder ingen tvekan om att den framtida vägen för partikelfysikforskning ligger genom en större mekanism,” säger Bjørn Samset, forskare vid Cicero Center for International Environmental and Climate Research. Han är en elementär partikelfysiker genom utbildning och arbetade på CERN.
"Den enda frågan är om det är dags att bygga det eller om det är bättre att fokusera på andra saker för nu."
Han tror också att fysiken förmodligen skulle ha mer nytta om andra projekt utvärderades mer i detalj, vilket kan hjälpa till att bättre förstå vad den nya enheten exakt kan hitta.
Samset citerar mörk materia som ett exempel.
"Många hoppades att LHC skulle ha tillräckligt med energi för att skapa de partiklar som mörk materia kan vara gjord av."
Många teorier har framförts och några har motbevisats, men många måste fortfarande verifieras. Frågan är om det kanske inte är bättre att fokusera på andra metoder, till exempel speciella sensorer, med vilka du direkt kan fånga mörk materia.
Om BCC byggs kommer detta inte att ske snart, men Samset betonar att det är mycket viktigt att diskutera sådana projekt i förväg.
”Risken för att vänta är förlusten av erfarenhet. Tekniker på CERN är riktiga magiker, de får acceleratorn att göra otroliga saker. Om vi inte börjar planera nästa projekt nu kan mycket av denna erfarenhet gå förlorad."
Samtidigt tror han att erfarenheter kan överföras inom ramen för andra projekt. Men han är övertygad om att enorma acceleratorer fortfarande kommer att byggas.
"En sådan mekanism borde byggas, och den kommer att byggas, men kanske är det för tidigt ännu?"
Lasse Biørnstad
