ArtikkelLarge Hadron Collider

Dette er en av menneskets mest imponerende maskiner

Dypt under bakken frontkolliderer den partikler i én milliard kilometer i timen.

Jakten på «alt»

Sommeren 2012 er verdens øyene rettet mot Genève, en by vest i Sveits på grensen mot Frankrike. I en enkel forelesningssal skal noen av verdens smarteste hjerner i løpet av den neste timen presentere en av menneskehistoriens største oppdagelser – Higgs-bosonet.

Fra presentasjonen der det som trolig var den første Higgs-observasjonen ble lagt frem. Foto: Cern

Folk flest skjønner ikke noe som helst av presentasjonen, og bedre ble det ikke av at den var skrevet med Comic Sans, men alle skjønner at det som blir presentert, det var viktig. Det handlet om mye mer enn bare en liten partikkel.

Jakten på Higgs boson, den mikroskopiske partiklene som kan forklare «alt», har preget fysikkens verden i flere tiår. En slik partikkel er imidlertid både massiv og kortlevd, så for å se om de fikk laget et måtte forskerne ta i bruk en av verdens mest imponerende maskiner

Massivt maskineri

LHC er en massiv maskin. Den krysser grensen mellom to land fire ganger. Foto: Maximilien Brice/Cern

For lang under bakken, i hjertet av Europa mellom de mektige alpene, ligger en av de mest imponerende maskinene mennesket har bygd. Den er hele 27 kilometer lang, holdes under konstant vakuum med en temperatur på flere hundre grader under frysepunktet.

På innsiden flyr millioner av ørsmå protoner på kollisjonskurs med tilnærmet lysets hastighet, en milliard kilometer i timen, før de møter hverandre i en massiv frontkollisjon som når eksplosive temperaturer. Eksplosjonen er så kraftig at hver minste partikkel i protonet skytes ut i massiv fart, og gjenskaper forholdene som fant sted en brøkdel av et sekund etter Big Bang.

Maskinen vi snakker om er en massiv partikkelakselerator, og går under navnet Large Hadron Collider – eller bare LHC. Den er eid og drevet av den europeiske organisasjonen for kjernefysisk forskning, Cern, og lokalisert på grensen mellom Sveits og Frankrike, ved byen Genève.

Det var forskere ved Cern som oppdaget Higgs-bosonet, godt skjult mellom de 600 millionene av disse kollisjonene som finner sted hvert eneste sekund. Og selv om akkurat hva LHC gjør er spennende i seg selv, er det minst like imponerende å se på hva som skjer rundt. For mens de ørsmå protonene suser frem under bakken i et imponerende tempo, jobber flere tusen forskere i en storslagen kamp for å forstå noen av universets største mysterier.

Gudepartikkelen

Peter Higgs, mannen som først teoriserte Higgs-bosonet, beskuer Atlas, ett av eksperimentene som fant bosonet. Foto: Cern

Av de mange, mange tingene Cern bruker LHC til, er det spesielt ett prosjekt som har fått hele verdens fokus: Jakten etter den mystiske «gudepartikkelen» Higgs-bosonet. Kampen for å kunne bevise at dette bosonet eksisterer er for all del ikke alt hverken Cern eller LHC handler om, men det er ikke så rart at lille Higgs får så mye oppmerksomhet fra både media og tusenvis av forskere verden over.

For om forskerne kunne bevise at partikkelen eksisterer, noe de har prøvd på siden den først ble teorisert i 1964, vil den forklare «alt». Den vil være beviset på en av fysikkens største teorier. Finner man denne vil den forklare nesten alt i hele universet, og den vil samtidig forklare hvordan du og jeg, himmelen og sola, faktisk eksisterer.

I en årrekke har disse forskerne jaktet på den lumske partikkelen, og sommeren 2012 kom det store gjennombruddet. To helt uavhengige forskerlag kunne med euforisk stemning og verdens øyne rettet mot seg konstatere at de med overveiende sannsynlighet hadde funnet bosonet. Mars 2013 kunne de konstatere at de var enda sikrere på at dette faktisk var et Higgs-boson

Men for å forstå hva Higgs-bosonet faktisk er, må vi gå langt tilbake i tid – til begynnelsen, og til Big Bang.

Jakten på det ene sekundet

En partikkelkollisjon i Atlas. Mellom alle disse sporene kan Higgs-bosonet skjule seg. Foto: Cern

Big Bang fant sted for 13,7 milliarder år siden – og vi vet egentlig veldig mye om hva som har skjedd over alle disse årene.

Vi vet omtrent når vår egen galakse ble skapt, vi vet hvor gammel sola er og vi har god kontroll på de fleste av fysikkens lover og hvordan alt oppfører seg i vårt univers.

Men det vi ikke vet så mye om, er hvordan alt dette oppstod – altså hva som skjedde i løpet av det første sekundet etter Big Bang. Og hva som skjedde i det ene sekundet definerte de neste 13,7 milliarder årene – og det er dette sekundet LHC hjelper forskerne å forstå.

På ungdomskolen lærte du sikkert at alt rundt oss består av én eneste ting: atomer. Uansett hva du ser rundt deg – buksene dine, kaffekanna, luften og skyene er alle bygget opp av atomer. Fulgte du ekstra godt med i timen registrerte du nok også at atomer er bygget opp av to andre ting: En proton-kjerne og en krans av elektroner.

Men det er mer ved disse atomene. Selve protonkjernen består nemlig av flere byggeblokker, og det er disse byggeblokkene man ennå ikke helt forstår. Det at man ikke helt forstår dem, sørger for at det fortsatt er et åpent spørsmål om hvordan alt rundt oss eksisterer.

Men vi vet hvor svaret ligger – i det første sekundet universet ble skapt, for det var da alle disse byggeblokkene og alt annet vi kjenner rundt oss kom til. Men å komme seg til svaret er ikke akkurat lett, det er tross alt 13,7 milliarder år siden det skjedde

LHC tar oss «tilbake i tid»

Det er her LHC kommer inn i bildet, for den lar oss se tilbake og inn i det ene sekundet, ved å gjenskape forholdene like etter Big Bang. Ved å sende to protoner mot hverandre med en massiv fart vil de møtes i en ekstremt varm kollisjon og eksplodere, noe som sørger for at tusenvis av små partikler skilles ut i et heftig inferno.

Forskerne studerer så hvordan disse partiklene oppfører seg og hva de gjør, i den lille brøkdelen av et sekund de eksisterer etter kollisjonen. Og det er i bunn og grunn hva man har LHC til – for godt skjult i denne eksplosjonen mente forskerne de ville finne sporet av Higgs-bosonet.

Men selve bosonet er ikke alt, det er også noe mer forskerne leter etter – blant annet Higgs-feltet. Dette feltet mener forskerne oppstod i det første sekundet etter Big Bang. Teorien sier at partikler gikk igjennom dette feltet, noe som fikk partiklene til å endre fart – og at denne endringen i fart er det som ga partiklene masse.

Uten dette feltet ville partiklene bare fortsatt ut i universet med lyset hastighet, og aldri samlet seg til å forme stjerner og planeter, deg og meg. Hadde ikke partiklene fått massen sin, ville ingenting eksistert.

Det er iallfall teorien, og for å sjekke om den kan stemme må man først finne bosonet.

En spesiell masse

CMS-eksperimentet til Cern er massivt. Foto: Cern

Det forskerne faktisk jakter etter med LCH, er en partikkel med en spesiell masse. Før oppdagelsen i 2012 viste man ikke hvilken masse bosonet hadde, målt i gigaelektronvolt, GeV. Men i en årrekke har forskerne utelukket store porsjoner av det aktuelle massespekteret.

Med hjelp av forgjengeren til LHC, som het LEP, kunne forskerne utelukke at bosonet befant seg i området under 114 GeV – et tall LHC senere skulle øke til 115 GeV. På den andre siden av Atlanterhavet hadde samtidig amerikanernes partikkelakselerator, Tevatron, utelukket et stort område rundt 160 GeV.

For å kunne søke i den gjenstående delen av massespekteret ble LHC bygget, rett og slett fordi man trengte en langt kraftigere maskin for å kunne søke der. Kort tid etter at LHC ble tatt i bruk ved tiårsskiftet kunne forskerne ved Cern bekrefte amerikanernes målinger, og samtidig utelukke hele det aktuelle området over 145 GeV. Det man stod igjen med var da et lite vindu mellom 115 GeV og 145 GeV, som ikke var utforsket. Om Higgs-bosonet eksisterte ville det med sikkerhet ligge her.

Den junidagen sommeren 2012 forskerne la frem resultatene sine, skulle det vise seg at to uavhengige eksperimenter ved Cern hadde funnet Higgs – og den lå mer eller mindre midt i det gjenstående spekteret. Det ene eksperimentet, CMS, fant den ved rett over 125 GeV, mens eksperimentet Atlas fant den rett over 126 GeV.

Både maskinen og eksperimentene som gjorde det mulig å oppdage Higgs er noe av det mest imponerende du kan se. Bli med over til neste side, så forklarer vi hvordan det fungerer »