Dypt under bakken i Sveits gjemmer et av den moderne verdens største teknologiske vidundere seg.

En 27 kilometer lang ringformet maskin som for lengst har akselerert vår kunnskap om partikkelfysikken – og dermed i verden omkring oss.

Den enorme akseleratoren, Large Hadron Collider (LHC), har krevd samarbeid mellom 10 000 forskere og ingeniører og har blitt omtalt som for vår tids oppføring av pyramidene i Egypt.

Men selv om det bare er syv år siden akseleratoren ble tatt i bruk, er forskerne allerede nå i gang med å planlegge arvtakeren.

– Favoritten sett fra vårt synspunkt er en protonmaskin som er om lag fire ganger større enn LHC. Omkring 100 kilometer i omkrets. Så det vil være et skikkelig beist, sier Paul Collier. Han er leder for strålingsavdelingen ved forskningsinstitusjonen CERN, som styrer LHC.

Skal åpne døren til et ukjent univers

Dette beistet har navnet «Future Circular Collider». Hvis det en dag blir realisert, vil det kunne kollidere partikler ved ekstremt høye energier – rundt 100 teraelektronvolt (tera betyr en billion).

Håpet er at de voldsomme kreftene kan åpne et vindu til en helt ukjent del av universet.

– Saken er at det bare er om lag fem prosent av universet som består av den vanlige materien vi kjenner. 95 prosent av universet er ukjent. Vi aner altså ikke hva mesteparten av universet består av. Men kanskje vil man kunne løfte litt av sløret for det med en ny og større LHC, sier Søren Pape Møller, som er senterleder og akseleratorekspert ved institutt for fysikk og astronomi ved Aarhus Universitet.

De mørklagte delene av universet som forskerne fantaserer om å få innsikt i, blir også kalt for mørk materie og mørk energi.

• Les også: Nytt CERN-resultat kan vise hittil ukjent partikkel

Gigantisk maskin krever planlegging

Det kan kanskje høres litt grådig ut at fysikerne allerede drømmer om en ny og enda større maskin. Men ifølge Paul Collier er det nødvendig å begynne tidlig

med planleggingen.

– Det tar lang tid å designe og bygge en maskin som er så komplisert som LHC, og den neste vil være enda mer komplisert, sier Collier.

Til sammenligning forklarer han at de første tankene om LHC ble født i 1983. Først i 2010 var det gigantiske maskineriet klart til bruk.

– Vi vil bruke LHC frem til 2040-tallet. Så hvis vi vil være klare med et nytt prosjekt på 2030-tallet, må vi begynne å designe det nå, sier Collier.

Planen er at «Future Circular Collider» skal være en ringformet akselerator, akkurat som LHC. Inne i «Future Circular Collider» vil man også kunne skyte små partikler – protoner – opp til nesten lysets hastighet og studere hva som skjer når de kolliderer. I LHC har slike protonsammenstøt blant annet ført til observasjon av Higgs-partikkelen (se faktaboks).

• Les også: Hvor fort utvider universet seg?

Utrolige krefter i verdens største maskin

Men hva vil vi oppdage hvis den nye akseleratoren blir realisert?

– Ingen kan si med sikkerhet hva vi vil møte ved enda større energier. Det er mange ting vi ikke forstår i partikkelfysikken. Hva det nye er, blir spennende. Vi bør ikke bygge en så stor maskin hvis ikke vi tror vi møter noe nytt, sier Søren Pape Møller.

Den såkalte standardmodellen er i dag fysikernes beste forslag til hvordan verden er skrudd sammen, og hvilke partikler som eksisterer. Men modellen kan ikke forklare alt i universet.

– Vi vet at noen deler av standardmodellen vil bryte sammen ved høyere energi. Men vi vet fortsatt ikke akkurat hvor det vil skje. Vi håper fortsatt at det vil være innen LHCs rekkevidde å avsløre det. De fenomenene vi ser etter, er veldig sjeldne. Hvis vi får en ny maskin, vil den være bedre i stand til å se hva det er og samtidig følge det opp til høyere energiskalaer, forklarer Paul Collier.

For å forstå hvilke energier som er snakk om, kan vi sammenligne partiklene i LHC med de franske høyhastighetstogene TGV.

– Vi kan forestille oss at partikkelstrålen i LHC er et stort fransk TGV-tog som kjører i 500 km/t. Forestill deg et slikt tog brake inn i et annet. Så stor er energien i LHC. Når den nye maskinen står klar, kan du gange alt sammen med hundre, forteller Møller.

• Les også: Forsker på småfeil helt nede på atomnivå

Tevatron fant aldri Higgs

Historien har vist at det lønner seg å tenke stort. Den amerikanske akseleratoren Tevatron, som var verdens kraftigste fram til LHC kom på banen, jaktet på også Higgs-partikkelen, men kom aldri i mål.

– Tevatron hadde en energi på én teraelektronvolt per stråle. LHC har syv ganger så mye. De toppartiklene de klarte å oppdage med Tevatron i løpet av 25 år, har i dag blitt en slags rutinepartikler som vi kan studere i detalj. De rakk aldri å se Higgs med Tevatron. Det var utenfor maskinens rekkevidde, sier Collier.

Tankene om den neste akseleratoren er født som en del av en større europeisk forskningsstrategi – Europeisk strategi for partikkelfysikk fra 2013.

Ifølge strategien skal forskerne fra CERN utføre teoretiske studier av hvordan fremtidens arvtaker etter LHC kan utformes.

Kanskje blir arvtakeren CLIC

En forskningsgruppe arbeider også på en helt annen type arvtaker, «The Compact Linear Collider» – eller bare CLIC.

Den vil ikke være en sirkel, men en rett linje. CLIC vil også arbeide med en annen type partikler enn protonene vi kjenner fra LHC og Future Circular Collider.

I CLIC vil det være snakk om sammenstøt mellom elektroner (partikler med negativ ladning) og positroner (elektronets antipartikkel, med positiv ladning).

– Future Circular Collider og CLIC bruker forskjellige teknikker, forskjellige mekanismer og har litt forskjellige formål. Vi skal presentere de to som muligheter, og da er det opp til fysikken, vitenskapen og de som bevilger penger å bestemme, sier Collier.

– Kan vi få begge deler?

– Det er veldig dyre maskiner. Jeg tror ikke vi får råd til begge deler.

– Hvilken prisklasse snakker vi om?

– Du må vente til vi legger frem studiene i 2019 for å få svar på det, sier Collier.

Hva koster gigamaskinene?

LHC kostet omkring 40 milliarder kroner. Akseleratoren er betalt av land som er medlem av CERN, inkludert Danmark, som i dag står for 1,6 prosent av bidragene. Det er 21 andre medlemsland som bidrar.

– Man kan selvfølgelig spørre seg om LHC var en god investering. Det vi får ut av den, er ikke noe som er direkte praktisk anvendelig. LHC har kanskje kostet en krone eller to per menneske på kloden. Er det mye eller lite? Kanskje kunne vi ha brukt pengene på nødhjelp i stedet. LHC er luksusfysikk. Vi får veldig grunnleggende kunnskap ut av den, men ikke noe som berører oss i hverdagen. Men det forteller oss om verden, sier Søren Pape Møller.

Han understreker imidlertid den nye kunnskapen kan føre til nye oppfinnelser.

– Store forskningsprosjekter som LHC driver teknologien fremover. Kunnskapen fra LHC og andre akseleratorer har bidratt til bedre behandling av kreft, sier Møller med henvisning til strålekanoner som kan drepe kreftsvulster ved å beskyte dem med partikler (les mer her).

– Det presser den teknologiske utviklingen til det ytterste når det investeres i store prosjekter.

© Videnskab.dk. Oversatt av Lars Nygaard for forskning.no.