Har du noen gang lurt på hva naturen rundt deg er satt sammen av? Eller sett opp på stjernene om natten og fundert på hvordan universet fungerer?

Disse spørsmålene er drivkraften i partikkelfysikk, et internasjonalt fagfelt som prøver å finne byggesteinene i naturen og avdekke hvordan disse har virket sammen for å bli til det 13.7 milliarder år gamle universet vi lever i.

Forskning på slike spørsmål tar tid, og det er langt mellom revolusjonene. Allikevel er noen tidsperioder spesielle, og vi er nå på vei inn i en gullalder hvor vi håper å løse mange gåter på kort tid.

Hovedgrunnen til dette heter LHC – Large Hadron Collider – og befinner seg ved laboratoriet CERN utenfor Geneve i Sveits. LHC, som i skrivende stund er verdens kraftigste partikkelakselerator, er resultatet av 20 års planlegging, bygging, teknologiutvikling og grunnforskning.

Målene for maskinen er ikke beskjedne: Finne nye, ukjente partikler, avdekke hva mørk materie består av, svare på hvorfor partiklene veier det de gjør, lete etter ekstra romlige dimensjoner, og mye mer.

Mer gull enn LHC

Mange hadde håpet at 2009 skulle bli jubelåret da LHC kom med sine første resultater, men slik gikk det ikke. Etter en knirkefri oppstart i september 2008 opplevde maskinen et marerittaktig teknisk uhell, der en serie uheldige hendelser satte den ut av drift i over ett år. For LHC-fysikere ble 2009 derfor nok et år med forberedelser og ikke minst reparasjoner, snarere enn et år der vi kunne gjøre spennende oppdagelser.

Men 2009 ble ikke noe dårlig år for partikkelfysikk av den grunn. Gullalderen omfatter mye mer enn bare LHC, og at denne lå syk mye av året gjør dette desto mer synlig. 2009 kan skilte med publikasjon av solide resultater basert på mange års arbeid, utklekking av nye ideer, og ikke minst flere veldig spennende hint om ny fysikk som vi nå må jobbe for å forstå.

Det kanskje viktigste resultatet i 2009 kom innen letingen etter den såkalte Higgs-partikkelen. På 1960-tallet utviklet fysikere Standardmodellen for partikkelfysikk (blant venner kalt SM), som er et forsøk på å beskrive alle partikler og (nesten) alle naturkrefter i en og samme matematiske teori.

Fantastisk teori med et problem

SM har vært en fantastisk teori, og har forutsagt både nye partikler og resultatet av fremtidige eksperimenter med imponerende presisjon. Men den har også skapt et problem.

I følge SM burde ikke partiklene veie så mye som de gjør, så for å få teorien til å stemme med den naturen vi faktisk lever i, måtte et triks til. Dette trikset, en liten endring i teorien, løser masseproblemet, men skaper også en forutsigelse om at det må finnes en hittil uoppdaget partikkel – Higgs-partikkelen.

Kort sagt er eksistensen av Higgs-partikkelen en forutsetning for at vår forståelse av naturen er riktig, og det letes med lys og lykter etter denne manglende puslespillbiten. Akseleratoren LEP, som tidligere befant seg i det som i dag er LHC-tunnelen, klarte å avgjøre at hvis Higgs-partikkelen finnes så kan den ikke være lettere enn 114 GeV/c². Her er 1 GeV/c² en masse-enhet og tilsvarer omtrent 0.000000000000000000000000001 kg. Samtidig vet vi fra andre målinger at den ikke kan være tyngre enn 185 GeV/c². Masseområdet mellom disse ytterverdiene har vi ikke kunnet teste.

Ved Fermilab utenfor Chicago i USA ligger en partikkelakselerator ved navn TeVatron, som inntil november 2009 var verdens kraftigste. Denne har hatt som mål å finne Higgs-partikkelen, men har enn så lenge ikke sett noen tegn til den. Derimot kom de to eksperimentene ved TeVatron, CDF og D0, i mars 2009 med noen nye massegrenser.

Higgs-partikkelen kan heller ikke veie mellom 160 og 170 GeV/c². Området der partikkelen kan gjemme seg blir mindre og mindre, og vi kommer nærmere og nærmere enten en bekreftelse, eller en avkreftelse av teorien. TeVatron hadde nok inderlig håpet å kunne oppdage Higgs-partikkelen før LHC startet, mens LHC på sin side er veldig fornøyd med at TeVatron har gjort den gjenværende letingen lettere.

Vil være veldig sikre

At dette er det største resultatet i 2009 illustrerer noe viktig: Partikkelfysikk kan være en langsom og møysommelig prosess, der vi jobber oss fremover ved å ekskludere en mulighet av gangen. Forhåpentligvis kommer de store oppdagelsene snart, men vi ønsker å være veldig sikre før vi hevder at vi har løst noen gåter i naturen.

Partikkelfysikk har allikevel mye mer å by på enn bare Higgs-leting. En ting som har plaget oss lenge er at mye av universet består av såkalt mørk materie, der om lag det eneste vi vet er at denne typen stoff ikke er beskrevet av Standardmodellen. Teorien må med andre ord utvides, uavhengig av Higgs.

I desember 2009 slapp eksperimentet CDMS en liten bombe. CDMS, som står for Cryogenic Dark Matter Search, er en stor samling med krystaller av silisium og germanium plassert dypt nede i en gruve i Minnesota. Disse krystallene er følsomme for det veldig sjeldne tilfellet at partikler av mørk materie kommer forbi og dunker borti en av atomkjernene deres.

Det finnes mange lignende eksperimenter rundt om i verden, men ingen har så langt sett noe overbevisende signal. CDMS publiserte 18. desember 2009 en artikkel der de beskriver to kollisjoner som ikke ser ut til å kunne komme fra noen av de kjente støykildene deres. Med andre ord: De mener å ha sett to mini-kollisjoner som kan komme fra mørk materie.

To kollisjoner

Innen partikkelfysikk er to kollisjoner alt for lite til å kalles en oppdagelse, siden to hendelser også lett kan være støy, feil eller tilfeldigheter. Analysen CDMS har gjort er såpass grundig at resultatet må tas på alvor, og det har allerede kommet et skred av artikler som studerer konsekvensene av disse to mulige kollisjonene, men per i dag må dette regnes mest som et spennende hint

Tekniske forberedelser var også en gjenganger i 2009. I mars skjøt ESA for eksempel opp satellitten Planck, som blant annet skal studere den kosmiske bakgrunnsstrålingen – ekkoet etter universets fødsel. Plancks resultater, som forventes i løpet av de neste par årene, vil ha mye å si for partikkelfysikk. De kan hinte om både mørk materie og om noe enda mer mystisk som vi tror finnes der ute – en såkalt “mørk energi”.

Samtidig, på sydpolen, gikk konstruksjonen av eksperimentet IceCube videre. IceCube skal bruke den klare, rene isen under polsnøen til å se etter nøytrinoer – bittesmå partikler som er grusomt vanskelige å oppdage, men som kan fortelle oss om solen, supernovaer og hele universets utvikling. Disse og mange andre prosjekter må også regnes med i dagens partikkelfysiske gullalder.

Endelig i storform

Og ved CERN i Sveits ble LHC reparert. Slutten på 2009 ble et fantastisk comeback etter uhellet året før. 20. november ble det igjen sendt partikkelstråler gjennom den 27 kilometer lange ringen, og 23. november fikk vi de første kollisjonene i midten av de fire eksperimentene.

Få dager senere tok LHC verdensrekorden i kollisjonsenergi fra TeVatron, og så fulgte to uker der eksperimentene så og lagret over en million kollisjonsbilder. Allerede før juleferien kunne de fire eksperimentene vise nydelige bekreftelser av kjent fysikk – noe som må til for å gi oss tillit til eventuelle senere oppdagelser. Både LHC og eksperimentene rundt ringen er i storform, endelig.

Slik er status ved inngangen til 2010. Satellitter, nøytrino-eksperimenter, mørk-materie-detektorer og mange andre fortsetter med spennende eksperimenter.

Utenfor Chicago leter TeVatron fortsatt etter Higgs-partikkelen, og gjør dessuten nydelige detaljstudier av Standardmodellen. Og ved CERN har LHC våknet for fullt, og gir oss håp om at 2010 kan levere de resultatene 2009 ikke ga oss.