Tilbake i 2008 glippet først en stråle av protoner rundt Large Hadron Collider (LHC), verdens kraftigste partikkelakselerator. Nå, ti år senere, er det på tide å gjøre rede for hva vi har lært takket være dette anlegget og hva som ligger foran oss.
Denne regnskapsføringen inkluderer både fremtidig forskning som LHC kan utføre og mulige nye fasiliteter som kan kollidere partikler ved energier langt utenfor hva LHC kan oppnå. To, eller kanskje tre, mulige erstatninger for LHC har blitt foreslått. Så la oss se hvor vi er og hvor vi har kommet det siste tiåret.
Historien om LHC er både spennende og turbulent, med hendelser som spenner fra katastrofale skader på instrumentets enorme magneter i de første dagene av operasjoner, til en Phoenix-lignende oppgang fra den tragedien, etterfulgt av solide og spennende oppdagelser, inkludert oppdagelsen av Higgs boson. Dette funnet fikk Peter Higgs og Francois Englert Nobelprisen, slik de hadde spådd partikkelen for over et halvt århundre siden. Det er uvanlig at verden følgelig følger nøye med partikkelfysikknyheter, men kunngjøringen om Higgs 'oppdagelse førte til nyhetssendinger over hele kloden.
Finne ny fysikk
Fysikere var også i utkanten av setene, og ventet på hva de håpet ville være uventede oppdagelser. I nesten et halvt århundre har forskere fått den nåværende teoretiske forståelsen av oppførselen til subatomisk materie. Denne forståelsen kalles standardmodellen for partikkelfysikk.
Modellen forklarer den observerte oppførselen til molekyler og atomer av vanlig materie og til og med de minste kjente byggesteinene som noen gang er observert. Disse partiklene kalles kvarker og leptoner, med kvarker funnet inne i protonene og nøytronene som utgjør atomkjernen og med elektroner som det mest kjente leptonet. Standardmodellen forklarer også oppførselen til alle de kjente kreftene, bortsett fra tyngdekraften. Det er virkelig en ekstraordinær vitenskapelig prestasjon.
Standardmodellen forklarer imidlertid ikke alle ting i teoretisk fysikk. Det forklarer ikke hvorfor kvarkene og leptonene ser ut til å eksistere i tre forskjellige, men nesten identiske konfigurasjoner, kalt generasjoner. (Hvorfor tre? Hvorfor ikke to? Eller fire? Eller en? Eller 20?) Denne modellen forklarer ikke hvorfor universet vårt er laget helt av materie, når den enkleste forståelsen av Albert Einsteins relativitetsteori sier at universet også skal inneholde en like stor mengde antimaterie.
Standardmodellen forklarer ikke hvorfor studier av kosmos antyder at den vanlige saken om atomer utgjør bare 5 prosent av materien og energien i universet. Resten antas å bestå av mørk materie og mørk energi. Mørk materie er en form for materie som bare opplever tyngdekraft og ingen av de andre grunnleggende kreftene, mens mørk energi er en form for frastøtende tyngdekraft som gjennomsyrer kosmos.
Før LHCs første operasjoner, håpet fysikere som meg at atomknuseren ville hjelpe oss med å svare på disse underlige spørsmålene. Den mest siterte kandidatteorien for å forklare disse gåtene ble kalt supersymmetri. Det antyder at alle kjente subatomære partikler har "superpartner" motpartikler. Disse på sin side kan gi en forklaring på mørk materie og svare på noen andre spørsmål. Imidlertid har fysikere ikke observert noen supersymmetri. Dessuten har LHC-data utelukket de enkleste teoriene som inkluderer supersymmetri. Så, hva har LHC oppnådd?
LHC har gjort mye
Bortsett fra hele Higgs boson-saken, har LHC matet data til de fire store eksperimentelle samarbeidene, noe som resulterer i mer enn 2000 vitenskapelige artikler. Inne i LHC har partikler blitt smadret inn i hverandre med energier 6,5 ganger høyere enn de oppnådd av Fermilab Tevatron, som hadde tittelen verdens kraftigste partikkelakselerator i et kvart århundre, inntil LHC tok den kronen.
Disse testene av standardmodellen var veldig viktige. Enhver av disse målingene kunne ha vært uenig i spådommene, noe som ville ført til et funn. Det viser seg imidlertid at Standardmodellen er en veldig god teori, og den gjorde like nøyaktige spådommer ved LHC-kollisjonsenergier som for energinivået i den tidligere Tevatron.
Så er dette et problem? I en veldig ekte forstand er svaret nei. Tross alt handler vitenskap like mye om å teste og avvise gale nye ideer som det handler om å validere riktige.
På den annen side er det ingen som benekter at forskere ville vært langt mer begeistret for å finne fenomener som ikke tidligere var forutsagt. Funn av den typen driver menneskelig kunnskap, og kulminerer med omskriving av lærebøker.
LHC-historien er ikke over
Så hva nå? Er LHC ferdig med å fortelle oss sin historie? Neppe. Faktisk ser forskere frem til forbedringer av utstyret som vil hjelpe dem å studere spørsmål de ikke kan ta opp ved hjelp av dagens teknologi. LHC stengte i begynnelsen av desember 2018 for to år med oppussing og oppgradering. Når gasspedalen fortsetter driften våren 2021, vil den komme tilbake med en liten økning i energi, men doble antall påkjørsler per sekund. Med hensyn til fremtidige planlagte oppgraderinger har LHC-forskere hittil registrert bare 3 prosent av forventet data. Selv om det vil ta mange år å sile gjennom alle funnene, er den nåværende planen å registrere omtrent 30 ganger mer data enn hittil er innhentet. Med så mye mer data som kommer, har LHC fortsatt mye historie å fortelle.
Likevel, mens LHC vil fungere i ytterligere 20 år, er det helt rimelig å også spørre: "Hva er det neste?" Partikkelfysikere tenker å bygge en etterfølgende partikkelakselerator for å erstatte LHC. Etter LHC-tradisjonen, vil en mulighet kollidere protonerstråler sammen ved forbløffende energier - 100 billioner elektron volt (TeV), som er mye større enn LHCs toppfunksjon på 14 TeV. Men å oppnå disse energiene vil kreve to ting: For det første må vi bygge magneter som er dobbelt så kraftige som de som skyver partikler rundt LHC. Det er ansett som utfordrende, men oppnåelig. For det andre trenger vi en ny tunnel, omtrent som LHC-ene, men godt over tre ganger større rundt, med en ballparkomkrets på 100 mil, omtrent fire ganger større enn LHC-en.
Men hvor skal denne store tunnelen bygges, og hvordan vil den egentlig se ut? Hvilke bjelker vil kollidere og ved hvilken energi? Dette er gode spørsmål. Vi er ikke langt nok i design- og beslutningsprosessen til å få svar, men det er to veldig store og dyktige grupper fysikere som tenker på problemene, og de har hver generert et forslag til en ny akselerator. Et av forslagene, i stor grad drevet av europeiske forskningsgrupper, ser for seg å bygge en stor ekstra akselerator, mest sannsynlig lokalisert ved CERN-laboratoriet, like utenfor Genève.
Under en idé ville et anlegg der kollidere en stråle av elektroner og antimateriellelektroner. På grunn av forskjeller mellom akselererende protoner sammenlignet med elektroner - en elektronstråle mister mer energi rundt den sirkulære strukturen enn en protonstråle gjør - ville denne strålen brukt den 61 kilometer lange tunnelen, men fungerer med lavere energi enn om den var protoner. Et annet forslag ville bruke den samme 61 kilometer lange gasspedalen for å kollidere protoner. Et mer beskjedent forslag ville gjenbruk den nåværende LHC-tunnelen, men med kraftigere magneter. Dette alternativet vil bare doble kollisjonsenergien over hva LHC kan gjøre nå, men det er et rimeligere alternativ. Et annet forslag, stort sett forkjempet av kinesiske forskere, forestiller seg et helt nytt anlegg, antagelig bygget i Kina. Denne gasspedalen ville også være rundt 61 mil rundt, og den ville kollidere elektron og antimateriellelektroner sammen før den gikk over til proton-proton-kollisjoner i omtrent 2040.
Disse to potensielle prosjektene er fremdeles i snakketrinnene. Etter hvert vil forskerne som legger frem disse forslagene, måtte finne en regjering eller gruppe av regjeringer som er villige til å legge regningen. Men før det kan skje, må forskerne bestemme evnene og teknologiene som kreves for å gjøre disse nye fasilitetene mulig. Begge gruppene ga nylig ut omfattende og grundig dokumentasjon om deres design. Det er ikke nok til å bygge de foreslåtte fasilitetene, men det er godt nok til å sammenligne fremtidige laboratoriers forventede ytelser og begynne å sette sammen pålitelige kostnadsforutsigelser.
Å undersøke kunnskapens grense er en vanskelig forsøk, og det kan ta mange tiår fra de første drømmene om å bygge et anlegg i denne størrelsesorden, gjennom operasjoner til anleggets nedstengning. Når vi markerer 10-årsjubileum for den første bjelken i LHC, er det verdt å ta oversikt over hva anlegget oppnådde og hva fremtiden vil bringe. Det ser ut som om det vil være spennende data for neste generasjon forskere å studere. Og kanskje, bare kanskje, lærer vi noen flere av naturens fascinerende hemmeligheter.
Don Lincoln er fysikkforsker på Fermilab. Han er forfatteren av "The Large Hadron Collider: The Extraordinary Story of the Higgs Boson and Other Stuff That Will Blow Your Mind"(Johns Hopkins University Press, 2014), og han produserer en serie naturfagundervisning videoer. Følg etter ham på Facebook. Meningene som kommer til uttrykk i denne kommentaren er hans.
Don Lincoln bidro med denne artikkelen til Live Science Ekspertstemmer: Op-Ed & Insights.
