Kollisjoner mellom partikler slik det skjer i maskinen The Large Hadron Collider (LHC) er helt annerledes enn det vi vanligvis tenker på som kollisjoner. I en kollisjon mellom to biler er resultatet to ødelagte biler, og gjerne en del løse bildeler. I en kollisjon mellom to protoner (kjernen til hydrogen-atomet) med høy hastighet kan det derimot komme ut partikler av helt andre typer enn de som kolliderte. Jo større energi, jo større er mangfoldet av det som kan komme ut.

Dobbelt så ofte

For snart tre år siden annonserte CERN, Den europeiske organisasjonen for forskning på kjerne— og partikkelfsysikk i Sveits, at Higgspartikkelen endelig var oppdaget. Det skjedde 48 år etter at Peter Higgs forutsa at den burde finnes. Oppdagelsen var startskuddet til en ny æra i fysikken, der vi kan få en ny forståelse av universet. I 2013 fikk da også Higgs Nobelprisen i fysikk sammen med François Englert.

PÅ BANEN IGJEN: LHC-maskinen ligger i en 27 kilometer lang ringformet tunnel 100 meter under bakken delvis i Sveits og delvis i Frankrike. Foto: @CERN

Siden har det vært langt stillere fra CERN, mye på grunn av at LHC-maskinen har vært stengt for oppgradering det siste halvannet året. Maskinen lager de partikkelkollisjonene som ble brukt for å oppdage Higgs-partikkelen i eksperimentene som kalles ATLAS og CMS. Etter oppgraderingen kan partikler kollidere dobbelt så ofte som tidligere — hele 40 millioner ganger hvert sekund.

SUSY in the sky

20. mai var det klart for testkjøring etter oppgraderingen av maskinen, og da klinket den til med rekord på første forsøk. To protoner kolliderte med en energi på 13 teraelektronvolt (TeV), det vil si 11,2 km/t langsommere enn lyset som har hastighet på en milliard km/t. Den gamle rekorden hadde en kollisjonsenergi på 8 TeV - 29,7 km/t langsommere enn lyset - og var fra 5. april 2012.

Når LHC skal øke energien i kollisjonene til langt over det vi har kunnet studere tidligere, betyr det at vi beveger oss inn i ukjent land der vi ikke vet hva vi kommer til å finne. Spesielt håper man å endelig finne ut hva den mørke materien egentlig er. Selv om vi ikke har noen observasjoner som viser hva slags partikler den mørke materien består av, mangler det ikke på hypoteser som forsøker å forklare hva det er. Den mest populære modellen kalles supersymmetri, ofte kalt SUSY. Hvis SUSY viser seg å være riktig, har alle partiklene vi allerede kjenner hver sin “superpartner”, også kalt spartikkel. Blant spartiklene finner man utmerkede kandidater til å utgjøre den mørke materien.

Nesten lysets hastighet

Siden vi ennå ikke har oppdaget noen slike spartikler, betyr det at de — hvis de faktisk finnes - må være mye tyngre enn de partiklene vi allerede kjenner til. Men nå som energien til LHC-maskinen øker, utvides rekkevidden av søket, og vi har håp om å finne spartikler som det tidligere ikke har vært mulig å se spor etter. Det kan ta lang tid; det var nødvendig med en million milliarder kollisjoner for å bevise at Higgspartikkelen fantes.

Så hva er det LHC-maskinen gjør?

Den akselererer protoner opp til 99.9999989 prosent av lysets hastighet for så å la dem kollidere front mot front. For å få til det har det vært nødvendig å bygge verdens største og en av de mest avanserte maskiner som finnes. LHC er en 27 kilometer lang smultring med over 1200 magneter som styrer protonene rundt i ringen, og sørger for at de kolliderer akkurat der detektorene er. For å få til sterke nok magneter har man vært nødt til å bruke superledende materiale som krever nedkjøling til -271.3°C for å virke.

Liggende sylinder

På utvalgte steder i LHC-ringen er det plassert detektorer som skal se hva som skjer når protonene kolliderer. Detektorene kan man tenke på som digitalkamera med omkring 100 megapiksler som tar bilde av hva som kommer ut av kollisjonene. På grunn av den store farten — og dermed energien - til protonene som kolliderer, må detektorene være svært store for å kunne ta presise nok bilder av hva som skjer. Den største detektoren, ATLAS, er formet som en liggende sylinder som er 43 meter lang og 22 meter i diameter.

Higgs igjen

Selv om letingen etter nye partikler er det mest spennende nå, vil også mye av arbeidet med de nye LHC-dataene handle om Higgs-partikkelen. Men hvorfor skal vi fortsette å jobbe med den nå som den allerede er oppdaget? Bli med på en tur til CERN

Oppdagelsen av Higgspartikkelen var den siste av en lang rekke målinger som bekreftet det som kalles partikkelfysikkens standardmodell. Standardmodellen er en matematisk beskrivelse av hvordan naturen fungerer på det mest grunnleggende nivået vi er i stand til å observere. Den har vært en enorm suksess, og alle eksperimentene som er gjort med partikkelakseleratorer, slik som på LHC, lar seg forklare ved hjelp av denne modellen. Men de mange egenskapene til Higgspartikkelen har det så langt ikke vært mulig å måle. Det er planen nå og omfatter både massen til partikkelen og hvor sterke krefter som virker mellom den og andre partikler.

Ikke hele historien

Standardmodellen gir klare hint om hvor sterke disse kreftene skal være. Hvis alle målingene stemmer med det vi regner med vil skje under kollisjonene, vil det være nok en suksess for standardmodellen. Men hvis det viser seg at noe er feil, begynner ting å bli virkelig spennende. Blant annet på grunn av eksistensen av den mørke materien vet vi nemlig at standardmodellen ikke er hele historien, og kanskje er det nettopp presisjonsmåling av egenskapene til Higgspartikkelen som skal vise oss veien videre.

Mye tyder på at rundt 80 prosent av massen i universet er laget av en type partikler som ikke passer inn i standardmodellen. Derfor har fysikere over hele verden kommet frem til ulike hypoteser om hva som kan finnes i tillegg. Da trengs mer eksperimentelle data, som en oppgradert LHC kan hjelpe oss med. Kanskje finner vi en tyngre partikkel i 2015 når Large Hadron Collider-akseleratoren kjøres med enda høyere energi. I beste fall fører det til at vi kan få svar på hva universet er bygd opp av og hvor alt kommer fra.