Tilbage i 2008 lynlås først en stråle af protoner rundt om den store Hadron Collider (LHC), verdens mest kraftfulde partikelaccelerator. Nu et årti senere er det på tide at tage en oversigt over, hvad vi har lært takket være denne facilitet, og hvad der ligger foran os.
Dette regnskab inkluderer både fremtidig forskning, som LHC kan udføre, og mulige nye faciliteter, der kan kollidere partikler ved energier langt ud over, hvad LHC kan opnå. To, eller måske tre, mulige udskiftninger for LHC er blevet foreslået. Så lad os gennemgå, hvor vi er, og hvor vi er kommet over det sidste årti.
Historien om LHC er både spændende og turbulent, med begivenheder, der spænder fra katastrofale skader på instrumentets enorme magneter i de første operationers dage, til en Phoenix-lignende stigning fra denne tragedie, efterfulgt af solide og spændende opdagelser, herunder opdagelsen af Higgs boson. Denne fund fortjente Peter Higgs og Francois Englert Nobelprisen, som de havde forudsagt partiklen for over et halvt århundrede siden. Det er usædvanligt for verden at følge medfølgende nyheder om partikelfysik, men meddelelsen om Higgs 'opdagelse førte nyhedsudsendelser over hele kloden.
At finde ny fysik
Fysikere var også i udkanten af deres sæder og ventede på, hvad de håbede, ville være uventede opdagelser. I næsten et halvt århundrede har forskere fået den aktuelle teoretiske forståelse af opførslen af subatomisk stof ud. Denne forståelse kaldes standardmodellen for partikelfysik.
Modellen forklarer den observerede opførsel af molekyler og atomer i almindeligt stof og endda af de mindste kendte byggesten der nogensinde er observeret. Disse partikler kaldes kvarker og leptoner, med kvarker, der findes inde i protoner og neutroner, der omfatter atomens kerne og med elektroner som det mest kendte lepton. Standardmodellen forklarer også opførelsen af alle de kendte kræfter, bortset fra tyngdekraften. Det er virkelig en ekstraordinær videnskabelig bedrift.
Standardmodellen forklarer dog ikke alle ting i teoretisk fysik. Det forklarer ikke, hvorfor kvarkerne og leptonerne synes at eksistere i tre forskellige, men næsten identiske konfigurationer, kaldet generationer. (Hvorfor tre? Hvorfor ikke to? Eller fire? Eller en? Eller 20?) Denne model forklarer ikke, hvorfor vores univers er udelukkende lavet af stof, når den enkleste forståelse af Albert Einsteins relativitetsteori siger, at universet også skal indeholde en lige stor antimaterie.
Standardmodellen forklarer ikke, hvorfor studier af kosmos antyder, at det almindelige stofstof udgør kun 5 procent af universets stof og energi. Resten antages at bestå af mørkt stof og mørk energi. Mørk materie er en form for stof, der kun oplever tyngdekraft og ingen af de andre grundlæggende kræfter, mens mørk energi er en form for frastødende tyngdekraft, der gennemsyrer kosmos.
Før LHC's første operationer håbede fysikere som mig, at atomudbryderen ville hjælpe os med at besvare disse forvirrende spørgsmål. Den mest citerede kandidatteori til at forklare disse gåder blev kaldt supersymmetri. Det antyder, at alle kendte subatomære partikler har "superpartner" modpartikler. Disse kunne på sin side give en forklaring på mørk stof og besvare nogle andre spørgsmål. Imidlertid har fysikere ikke observeret nogen supersymmetri. Hvad mere er, LHC-data har udelukket de enkleste teorier, der indeholder supersymmetri. Så hvad har LHC opnået?
LHC har gjort meget
Bortset fra hele Higgs boson-tingene, har LHC fodret data til sine fire store eksperimentelle samarbejder, hvilket resulterede i mere end 2.000 videnskabelige artikler. Inde i LHC er partikler blevet smadret ind i hinanden ved energi 6,5 gange højere end dem, der blev opnået med Fermilab Tevatron, der havde titlen verdens mest magtfulde partikelaccelerator i et kvart århundrede, indtil LHC tog den krone.
Disse test af standardmodellen var meget vigtige. Enhver af disse målinger kunne have været uenig i forudsigelser, hvilket ville have ført til en opdagelse. Det viser sig imidlertid, at Standardmodellen er en meget god teori, og den fremsatte lige så præcise forudsigelser ved LHC-kollisionenergier, som den gjorde for energiniveauet i den tidligere Tevatron.
Så er dette et problem? I en meget reel forstand er svaret nej. Når alt kommer til alt handler videnskab lige så meget om at teste og afvise forkerte nye ideer, som det handler om at validere korrekte.
På den anden side kan man ikke benægte, at forskere ville have været langt mere begejstrede for at finde fænomener, som ikke tidligere var forudsagt. Opdagelser af denne type driver menneskelig viden, der kulminerer med omskrivning af lærebøger.
LHC-historien er ikke forbi
Så hvad nu? Er LHC færdig med at fortælle os sin historie? Næsten. Faktisk ser forskere frem til forbedringer af udstyret, der vil hjælpe dem med at studere spørgsmål, de ikke kan løse ved hjælp af nuværende teknologi. LHC lukkede i begyndelsen af december 2018 i to års renovering og opgradering. Når acceleratoren genoptager operationen i foråret 2021, vil den vende tilbage med en lille stigning i energi, men fordoble antallet af kollisioner pr. Sekund. Under hensyntagen til fremtidige planlagte opgraderinger har LHC-forskere hidtil kun registreret 3 procent af de forventede data. Selvom det vil tage mange år at gennemgå alle konklusionerne, er den nuværende plan at registrere omkring 30 gange flere data, end der er indhentet til dato. Med så meget flere data, der kommer, har LHC stadig en masse historie at fortælle.
Selvom LHC vil fungere i sandsynligvis yderligere 20 år, er det helt rimeligt at også spørge: "Hvad er det næste?" Partikelfysikere overvejer at bygge en opfølgende partikelaccelerator til erstatning af LHC. Efter LHC-traditionen ville en mulighed kollidere bjælker af protoner sammen ved forbløffende energier - 100 billioner elektron volt (TeV), som er meget større end LHCs topkapacitet på 14 TeV. Men at opnå disse energier vil kræve to ting: For det første skulle vi bygge magneter, der er dobbelt så kraftige som dem, der skubber partikler rundt om LHC. Det betragtes som udfordrende, men opnåeligt. For det andet har vi brug for en anden tunnel, ligesom LHC'erne, men godt over tre gange større omkring med en kuglepladsomkrets på 100 km (100 kilometer), cirka fire gange større end LHC'ens.
Men hvor skal denne store tunnel bygges, og hvordan ser den egentlig ud? Hvilke bjælker vil kollidere og ved hvilken energi? Det er gode spørgsmål. Vi er ikke langt nok i design- og beslutningsprocessen til at få svar, men der er to meget store og dygtige grupper fysikere, der tænker over problemerne, og de har hver især genereret et forslag til en ny accelerator. Et af forslagene, stort set drevet af europæiske forskningsgrupper, forestiller sig at bygge en stor yderligere accelerator, sandsynligvis placeret på CERN-laboratoriet lige uden for Genève.
Under en idé ville en facilitet der kollidere en stråle af elektroner og antimaterielle elektroner. På grund af forskelle mellem accelererende protoner sammenlignet med elektroner - en elektronstråle mister mere energi omkring den cirkulære struktur end en protonstråle gør - ville denne stråle bruge den 61 kilometer lange tunnel, men fungerer ved lavere energi end hvis det var protoner. Et andet forslag ville bruge den samme 61 kilometer lange accelerator til at kollidere med bjælker af protoner. Et mere beskedent forslag ville genbruge den nuværende LHC-tunnel, men med mere kraftfulde magneter. Denne mulighed ville kun fordoble kollisionsenergien over, hvad LHC kan gøre nu, men det er et billigere alternativ. Et andet forslag, stort set forkæmpet af kinesiske forskere, forestiller sig en helt ny facilitet, formodentlig bygget i Kina. Denne accelerator ville også være omkring 61 mil rundt, og den vil kollidere elektron og antimaterieelektroner sammen, inden den skiftede til proton-proton-kollisioner i ca. 2040.
Disse to potentielle projekter er stadig i tale. Til sidst bliver de videnskabsmænd, der fremsætter disse forslag, nødt til at finde en regering eller gruppe af regeringer, der er villige til at tage regningen. Men inden det kan ske, er forskerne nødt til at bestemme de muligheder og teknologier, der kræves for at gøre disse nye faciliteter mulige. Begge grupper frigav for nylig omfattende og grundig dokumentation om deres design. Det er ikke nok til at bygge deres foreslåede faciliteter, men det er godt nok til både at sammenligne de fremtidige laboratoriers forventede præstationer og begynde at sammensætte pålidelige omkostningsforudsigelser.
Undersøgelse af videnens grænse er en vanskelig bestræbelse, og det kan tage mange årtier fra de første drømme om at bygge et anlæg af denne størrelse, gennem operationer til anlæggets nedlukning. Når vi markerer 10-årsjubilæet for den første stråle i LHC, er det værd at tage status over, hvad anlægget opnåede, og hvad fremtiden vil bringe. Det ser ud til, at der vil være spændende data for den næste generation af videnskabsfolk til at studere. Og måske, bare måske, lærer vi et par flere af naturens fascinerende hemmeligheder.
Don Lincoln er fysikforsker hos Fermilab. Han er forfatteren af "Den store Hadron Collider: Den ekstraordinære historie om Higgs Boson og andre ting, der vil sprænge dit sind"(Johns Hopkins University Press, 2014), og han producerer en række videnskabsuddannelser videoer. Følg ham på Facebook. Synspunkterne i denne kommentar er hans.
Don Lincoln bidrog med denne artikel til Live Science Ekspertstemmer: Op-Ed & indsigt.
