CERNin uusi projekti on rakentaa mekanismi, joka on melkein neljä kertaa suurempi kuin olemassa oleva suurin laite. Mutta mitä varten se on?
LHC (Large Hadron Collider) on kiistatta yksi salaperäisimmistä laitteista maailmassa. Se istuu 27 kilometrin pituisessa pyöreässä tunnelissa Ranskan ja Sveitsin välisellä rajalla, ja sen päätehtävänä on törmätä maailmankaikkeuden pienimpiin hiukkasiin.
Tämä mekanismi tuli tunnetuksi kaikkialla maailmassa vuonna 2012, kun CERN (Euroopan ydintutkimusjärjestö) ilmoitti löytävänsä Higgsin bosonin. Teoria tämän alkuainehiukkasen olemassaolosta ilmestyi vuosikymmeniä sitten, perushiukkasten standardimallin taustalla olevissa matemaattisissa laskelmissa oletettiin, että se on olemassa, mutta kukaan ei pystynyt korjaamaan sitä ennen LHC: n koetta.
Ja nyt CERN puhuu tulevaisuuden suunnitelmista. Kokeita LHC: n avulla on tehty vuodesta 2009 lähtien, ja mekanismin päivittämiseen on ollut keskeytyksiä. Nyt juuri tällainen tauko, ja LHC aloitetaan uudelleen vuonna 2021, jonka jälkeen se toimii vielä useita vuosikymmeniä.
Mutta nykyiset projektit ovat niin kunnianhimoisia, että CERN on keskustellut ehdotuksesta LHC: n seuraajan rakentamiseksi useita vuosia. Ja nyt organisaation työntekijät ovat valmiita kertomaan tulevaisuuden visiostaan.
Nyt nimeltään Future Circular Collider (FCC), sen rakentamissuunnitelmat julkistettiin tammikuussa 2019. BCC on paljon suurempi ja tehokkaampi kuin nykyinen kiihdytin. Vaikka tämä on vain suunnitelma, sitä ei ole vielä hyväksytty. Jos suunnitelma toteutetaan, kokeilut BCC: ssä alkavat 2040-luvulla.
CERN: n mukaan rakentamisen kokonaiskustannukset ovat hiukan yli 200 miljardia kruunua (yli 1,5 biljoonaa ruplaa - suunnilleen). Järjestön jäsenmaat rahoittavat hanketta useiden vuosikymmenien ajan. Norja on yksi CERN: n 22 jäsenmaasta, ja sen rahoitusosuus on noin 240 miljoonaa kruunua (yli 1,8 miljardia ruplaa) vuonna 2019.
Mainosvideo:
Mutta miksi tarvitsemme uutta hiukkaskiihdytinä, mitä tutkijat toivovat saavuttavan sillä?
Pitkä-pitkä tunneli
LHC asetetaan samaan tunneliin kuin edellinen hiukkaskiihdytin, vain uusi täyttö laitettiin sinne. Edellisen laitteen työtä rajoitettiin vuonna 2000.
Mutta BCC: lle rakennetaan täysin uusi 100 kilometrin pituinen tunneli. Hiukkaskiihdyttimen pidentyneen pituuden vuoksi hiukkaset törmäävät paljon enemmän voimaa.
"Satojen vuosien ajan pienten aineosien törmäys suurella voimalla on ollut ehkä tärkein kokeellinen menetelmä aineen rakenteen ja koostumuksen tutkimiseksi", kertoo Lontoon Imperial College -hiukkasfyysikko Anders Kvellestad.
Itse asiassa CERN-suunnitelma vaatii useiden laitteiden rakentamista samaan tunneliin, jotka sijaitsevat peräkkäin. Ensimmäinen mekanismi törmää elektronit ja positronit, ja sitä voidaan käyttää tarkempiin mittauksiin ja tutkimuksiin, esimerkiksi Higgs-bosoniin, josta kaikkea ei tunneta toistaiseksi.
On myös mahdollista havaita täysin uusien tuntemattomien hiukkasten kvanttipolut tekemättä suoria havaintoja.
Uusi fysiikka?
Muiden kokeiden lisäksi, joihin liittyy lyijiatomien elektronien ja ytimien törmäyksiä, on tarkoitus myöhemmin rakentaa erittäin tehokas mekanismi, jolla protonit törmäävät tunnelissa olevien protonien kanssa.
"Hiukkasfysiikassa protonin törmäys protoniin muistuttaa kelkkavasaraa, kun taas elektronin törmäystä positronin kanssa voidaan verrata pieneen geologiseen vasaraan. Entinen antaa enemmän valtaa, kun taas jälkimmäinen on tarkempi."
Itse hiukkaspalkin teho mitataan teraelektronvolteissa (TeV). 27 km pitkä LHC pystyy käsittelemään 14 TeV: tä, kun taas uusi kaasupoljin kestää 100 TeV: n tehoa.
Korkeampien energioiden ansiosta "houkutellaan" pois massiivisemmat hiukkaset, joita ei ehkä ole ennen havaittu, ja on mahdollista, että tällaisten kokeiden tulokset antavat kuvan täysin uudesta fysiikasta, Kvellestad selittää.
Koska maailmankaikkeus on edelleen täynnä asioita, joita tutkijat eivät ymmärrä. Esimerkiksi, ei ole vastausta kysymykseen, mikä tumma energia ja tumma aine todella ovat, vaikka ne ovat keskeisiä käsitteitä nykyisessä maailmankaikkeuden käsityksessämme.
Nykyajan fysiikassa on myös suuri ongelma. Alkuainehiukkasia kuvaava yleinen suhteellisuusteoria ja kvanttikenttäteoria eivät vastaa toisiaan. Itse gravitaatiolle ei tällä hetkellä ole selitystä, mikä sopii molemmille malleille.
Riippumatta siitä kuinka näytät siihen, universumin ymmärtämiseen puuttuu jotain. Tarjotaan monia selityksiä, mutta tutkijat tarvitsevat todisteita.
Ja fyysikot toivoivat, että LHC: n nykyinen hiukkaskiihdytin antaa vihjeen uudesta fysiikasta. Tätä ei ole vielä tapahtunut, mutta LHC toimii vielä useita vuosia.
”Tiedämme nyt kaiken jo olemassa olevan tiedon pienistä, mutta mielenkiintoisista eroista teorian ja käytännön välillä. Siksi odotan LHC: n seuraavan kierroksen tulosten osoittavan meille, ovatko nämä erot seurausta”uudesta fysiikasta” vai ovatko ne vain tilastollisia variaatioita”, Kvellestad sanoo.
Mutta on myös epäilyksiä suunnitelmista rakentaa uusia hiukkaskiihdyttimiä.
Saako se todella aikaan jotain?
Saksalainen fyysikko Sabine Hossenfelder on yksi MCC-ehdotuksen kriitikoista. Hän kirjoitti kirjan siitä, kuinka fysiikka on liian kiinnostunut yhtälöiden "kauneudesta".
The New York Times -sarakkeessa hän kritisoi hanketta erityisesti sen vuoksi, että CERN tarjoaa sille samat lupaukset, jotka annettiin ennen LHC: n rakentamista: löytää tumma aine ja selventää maailmankaikkeuden alkuperä.
Ongelmana on, että tällaista tulosta ei voida millään tavoin taata, Hossenfelder sanoo. Fyysikot olivat melkein varmoja siitä, että he löytäisivät Higgsin bosonin LHC: n avulla, mutta nyt heillä ei ole niin lupaavia kohteita.
Supersymmetria on teoria, joka ennusti useiden erilaisten hiukkasten olemassaoloa, jotka voisivat täyttää aukot standardimallissa, mutta näitä hiukkasia ei ole vielä käsitelty kokeissa.
Hossenfelder väittää, että fysiikan tulisi tutkia muita mahdollisuuksia toistaiseksi, ja on parempi odottaa rakentamalla suuri kiihdytin keskittyen kysymykseen, miksi oletetut hiukkaset eivät esiintyneet LHC: ssä.
Jos olet kiinnostunut, voit lukea lisää projektin kritiikistä hänen blogissaan. Hän sanoo myös, että jos LHC: n avulla tulevina vuosina on todella mahdollista löytää jotain, kuva saattaa muuttua.
Perustutkimus
"Higss-bosonin löytämisen jälkeen meillä ei enää ole teoreettisia" takeita "siitä, että löydämme uusia hiukkasia seuraavan sukupolven kokeissa, - sanoo Anders Kvellestad. - Mutta se tarkoittaa todella, että hiukkasfysiikka on palannut melko normaaliksi perustavanlaatuiselle tutkimustila - kun kukaan ei tiedä, mitä seuraavassa kokeessa voidaan paljastaa."
"Fysiikan historiassa on useita esimerkkejä löytöistä, joita kukaan ei ennakoinut."
Kvellestad väittää, että vaikka fyysikot eroavat siitä, mitä näiltä kokeilta voidaan odottaa, tämän ei pitäisi olla perusteena uusien suurten kokeiden suorittamiselle.
Uusien hiukkaskiihdyttimien ansiosta tutkijat pystyvät tutkimaan ja mittaamaan paremmin jo tunnetut hiukkaset, Kvellestad sanoi.
Pitäisikö rakentaa isompi mekanismi, mutta ei nyt?
"Ei ole epäilystäkään siitä, että hiukkasfysiikan tulevaisuus käy läpi suuremman mekanismin", sanoo Ciceron kansainvälisen ympäristö- ja ilmastotutkimuksen keskuksen tutkija Bjørn Samset. Hän on peruskoulutusfysiikka koulutettuna ja työskennellyt CERN: ssä.
"Ainoa kysymys on, onko aika rakentaa se vai onko parempi keskittyä muihin asioihin toistaiseksi."
Hän uskoo myös, että fysiikka hyötyisi todennäköisesti enemmän, jos muita projekteja arvioitaisiin ensin yksityiskohtaisemmin, mikä voisi auttaa ymmärtämään paremmin, mitä uusi laite löytää.
Samset mainitsee esimerkkinä tumman aineen.
"Monet toivoivat, että LHC: llä olisi tarpeeksi energiaa hiukkasten luomiseksi, joista tumma aine voi olla valmistettu."
Monet teoriat on esitetty ja osa on kumottu, mutta monet on vielä tarkistettava. Kysymys on, eikö olisi parempi keskittyä muihin menetelmiin, kuten erityisiin antureihin, joilla voit suoraan kaappaa tumman aineen.
Jos BCC rakennetaan, niin ei tapahdu pian, mutta Samset korostaa, että on erittäin tärkeää keskustella tällaisista hankkeista etukäteen.
”Odotuksen vaara on kokemuksen menetys. CERNin teknikot ovat todellisia taikureita, he saavat kiihdyttimen tekemään uskomattomia asioita. Jos emme aloita seuraavan projektin suunnittelua nyt, suuri osa tästä kokemuksesta voi kadota."
Samanaikaisesti hän uskoo, että kokemusta voidaan siirtää muiden projektien puitteissa. Mutta hän on vakuuttunut siitä, että valtavia kiihdyttimiä rakennetaan edelleen.
"Tällainen mekanismi pitäisi rakentaa, ja se rakennetaan, mutta ehkä on vielä liian aikaista?"
Lasse Biørnstad