Den 22. april 2022, dypt under den fransk-sveitsiske grensen nær Genève, Sveits, ble to stråler av protoner akselerert rundt en 27 kilometer lang ring som kolliderte og skapte en dusj av sekundære partikler. Eksperimentet er ikke noe nytt for CERNs Large Hadron Collider (LHC). Faktisk, kolliderer eksperimentet med en injeksjon på 450 milliarder elektronvolt (450 GeV) er eksperimentet godt under kraften som denne, menneskehetens største og kraftigste partikkelakselerator kan oppnå.
Likevel er det det denne beskjedne testen av LHC representerer som gjør fysikere begeistret. Testen markerer starten på en ny serie eksperimenter med LHC som vil kollidere partikler opp til en energi på 13,6 billioner elektronvolt (TeV), de kraftigste kollisjonene ved akseleratoren til dags dato. Og dette er bare begynnelsen på det som burde bli en spennende ny periode for partikkelfysikk.
Denne tredje eksperimentelle perioden av LHC – kjent som Run 3 – vil føre til en ny utvidet pause i 2026. I løpet av en tre-års pause som varer til 2029, vil LHC gjennomgå sin mest omfattende transformasjon til nå – og fullføre oppgraderingen med høy lysstyrke som startet i 2018. Etter dette vil lysstyrken til LHC økes med en estimert faktor på 10.
Lysstyrken til LHC refererer til antall partikler den er i stand til å kollidere, og en økning i kollisjoner betyr en økt sjanse for å oppdage eksotisk, hittil usett fysikk. Dette betyr at den resulterende akseleratoren, High Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC) vil ha kraften til å undersøke fysikken som styrer universet utover det som er kjent som Standard modell for partikkelfysikk.
Utover standardmodellen
Det er bare passende at det skal være LHC som menneskeheten henvender seg til for å søke etter fysikk utover standardmodellen – den beste beskrivelsen vi har av partiklene og interaksjonene som styrer den subatomære verden. Det var tross alt med dette enorme apparatet at denne modellen, først utviklet i 1971, ble fullført.
I juli 2012 i en forelesningssal ved CERN i Sveits ble oppdagelsen av Higgs-bosonet, oppdaget av LHC ATLAS- og CMS-eksperimentene, annonsert. Bosonet – en kraftbærende partikkel – representerte den siste partikkelen som ble forutsagt av standardmodellen. Dermed representerte oppdagelsen, som ville motta Nobelprisen i fysikk i 2013, fullføringen av denne modellen.
I tillegg til dette, som den formidlende partikkelen til det såkalte Higgs-feltet, er Higgs-bosonet partikkelen som er ansvarlig for å gi de fleste andre innbyggerne i partikkelzooen deres masse. Det betyr at oppdagelsen også markerte det langvarige problemet i fysikk om hvordan de fleste partikler får massen sin.
Likevel, til tross for følelsen av endelighet, kan denne uttalelsen antyde, var dette på ingen måte det siste elementet i fysikken som ble oppdaget. Det er elementer av fysikk som ikke er beskrevet av standardmodellen, som naturen til mørk materie og det som gir nøytrinoer deres ørsmå nesten ubetydelige masse.
På samme måte er det fortsatt spørsmål som gjenstår angående selve Higgs-bosonet, som ikke akkurat er partikkelen som ble spådd å eksistere før oppdagelsen.
Det er disse spørsmålene og dvelende gåtene som LHC nå er i en posisjon til å begynne å undersøke.
“Vi har oppdaget hvordan partikler som elektronet tilegner seg masse via interaksjoner med Higgs-bosonet, og fullfører “standardmodellen” – den mest vellykkede naturteorien kjent for mennesker. Imidlertid er det mange observasjoner som ikke er spådd av denne modellen, sier Salvatore Rappoccio ved University of Buffalo, New York, USA, som søker etter ny fysikk ved hjelp av Compact Muon Solenoid (CMS)-eksperimentet som ligger ved LHC.
Rappoccio fortalte Elsevier: «Etter oppdagelsen av Higgs-bosonet har det ikke blitt observert nye fysiske interaksjoner ved LHC. Dette fører oss til konklusjonen at hvis de eksisterer, har de enten energier høyere enn LHCs evne [of around 13 TeV] eller har ekstremt lave produksjonssannsynligheter i våre kollisjoner og er skjult blant bakgrunnsprosesser.»
Et av spørsmålene Rappoccio og teamet hans vil se etter å svare på er hvorfor Higgs Boson oppdaget ved LHC er litt forskjellig fra partikkelen som er forutsagt av standardmodellen.
En bedre forståelse av Higgs-bosonet og fysikken rundt det kan gis av det faktum at HL-LHC vil være i stand til å skape langt flere av partiklene enn LHC var i stand til. I 2017 skapte LHC rundt 3 millioner Higgs-partikler. Operatører ved CERN anslår at i 2029 vil HL-LHC skape anslagsvis 15 millioner Higgs-bosoner.
Men HL-LHC vil ikke bare være i stand til å undersøke fysikkens lover i universet slik det eksisterer i dag. Kanskje, enda mer imponerende, vil HI-LHC være i stand til å gjenskape forholdene funnet umiddelbart etter Det store smelletog gir oss dermed det klareste bildet av spedbarnsuniverset vårt noensinne.
The Large Hadron Collider: Traveling Back to the Dawn of the Universe
LHC knuser ikke bare sammen stråler av protoner, og det vil heller ikke etterfølgeren, HL-LHC. Verdens største partikkelakselerator er også i stand til å knuse sammen mye tyngre partikler – til og med atomer av grunnstoffet jern strippet for elektroner.
Kollisjonen av jernioner er langt mindre vanlig ved LHC enn proton-proton-kollisjoner, med en måned i året viet til denne typen eksperimenter, men det betyr ikke at det ikke har vært fruktbart. I 2020 var forskere ved CERN i stand til å lage kvark-gluonplasma, en materietilstand som var betydelig fordi den eksisterte i de tidligste øyeblikkene av universet, kort tid etter Big Bang.
I de ekstreme forholdene som skapes ved LHC, “smelter” protoner og nøytroner som utgjør blyionene i prosessen og frigjør kvarker fra deres bindinger med gluonene. Å se hvordan kvark-gluonplasma både ekspanderer og avkjøles, gir forskerne et hint om hvordan det gradvis ga opphav til partiklene som utgjør universet ettersom det også avkjølte og utvidet seg i sin spede begynnelse.
Slike studier er også avgjørende for å forstå samspillet mellom en av universets fire grunnleggende krefter, den sterke kjernekraften. Denne disiplinen, kjent som Quantum Chromodynamikk (QCD), beskriver interaksjonene mellom kvarker og gluoner.
LHC er ikke den første maskinen som gjenskaper denne materiens tilstand, men den forbedrer i forhold til tidligere anstrengelser ved å lage varmere, tettere og lengre levetid kvark-gluon-plasma som tillater fysikere å studere denne materiens tilstand i enestående detalj.
Kvarker og gluoner finnes vanligvis bare inne i andre partikler som protoner og nøytroner. De eksisterer bare fritt ved utrolig høye energier som de som eksisterte i det tidlige universet da det var i en utrolig varm og tett tilstand før inflasjonen hadde fått det til å utvide seg og avkjøles.
Ved å bruke LHCs ALICE-detektor har forskere ved akseleratoren vært i stand til å estimere temperaturen til kvark-gluonplasmaet ved å bruke fotoner som sendes ut av denne materietilstanden i tillegg til å bestemme energitettheten, som begge har gitt resultater høyere enn tidligere estimater. Forskerne ved CERN har også vært i stand til å bruke partikler skapt av denne tette varme “suppen” av materie for å undersøke formen og andre kvaliteter.
Takket være oppgraderingene av LHC har ALICE-detektoren, nøkkelinstrumentet for å måle partiklene skapt av tunge-ion-kollisjoner, fått et enormt løft.
Under kjøring 3 forventer CERN at ATLAS- og CMS-eksperimentene vil oppnå flere kollisjoner enn oppnådd i de to andre driftsperiodene til sammen, mens LHCb vil få økt antall kollisjoner med tre ganger. Effekten på ALICE vil bli enda mer intens, denne detektoren vil i fremtiden kunne måle opptil 50 ganger så mange tung-ion-kollisjoner som før.
Flere kollisjonshendelser betyr å skape mer kvark-gluonplasma og en lengre varig tilstand av denne urmaterien og gi forskere mer data for å studere forholdene i det tidlige universet.
“Det kommende tiåret ved LHC byr på mange muligheter for videre utforskning av kvark-gluon-plasmaet,” sa Luciano Musa, talsmann for ALICE-eksperimentet. CERN pressemelding. «Den forventede tidoblingen i antall bly-bly-ion-kollisjoner bør både øke nøyaktigheten av målinger av kjente prober av mediet og gi oss tilgang til nye prober. I tillegg planlegger vi å utforske kollisjoner mellom lettere kjerner, som kan kaste ytterligere lys over mediets natur.»