The Large Hadron Collider and the Frontier of Physics

Vetenskapen om partikelfysik tittar på själva byggstenarna i materien - atomerna och partiklarna som utgör mycket av materialet i kosmos. Det är en komplex vetenskap som kräver noggranna mätningar av partiklar som rör sig med hög hastighet. Denna vetenskap fick ett stort uppsving när Large Hadron Collider (LHC) inledde sin verksamhet i september 2008. Namnet låter väldigt "science-fictiony" men ordet "collider" förklarar faktiskt exakt vad den gör: skicka två högenergiska partikelstrålar vid nästan ljusets hastighet runt en 27 kilometer lång underjordisk ring. Vid rätt tidpunkt tvingas balkarna att "kollidera". Protoner i balkarna krossar sedan ihop och, om allt går bra, skapas mindre bitar och bitar - kallade subatomära partiklar - för korta stunder i tid. Deras handlingar och existens registreras. Från den aktiviteten lär fysiker mer om materiens mycket grundläggande beståndsdelar.

LHC och partikelfysik

LHC byggdes för att svara på några oerhört viktiga frågor inom fysiken, djupt in i var massan kommer ifrån, varför kosmos är gjord av materia i stället för motsatta "saker" som kallas antimateria, och vad den mystiska "grejer" känd som mörk materia kan möjligen vara. Det kan också ge viktiga nya ledtrådar om förhållanden i det mycket tidiga universum då allvar och elektromagnetiska krafter kombinerades med de svaga och starka krafterna till en allomfattande kraft. Det hände bara en kort tid i det tidiga universum, och fysiker vill veta varför och hur det förändrades. 

Vetenskapen om partikelfysik är i huvudsak sökandet efter de mycket grundläggande byggstenarna i materien. Vi vet om atomer och molekyler som utgör allt vi ser och känner. Atomerna själva består av mindre komponenter: kärnan och elektronerna. Kärnan består i sig av protoner och neutroner. Det är dock inte slutet på raden. Neutronerna består av subatomära partiklar som kallas kvarkar.

Finns det mindre partiklar? Det är vad partikelacceleratorer är utformade för att ta reda på. Hur de gör detta är att skapa förhållanden som liknade hur det var precis efter Big Bang - händelsen som började universum. Vid den tidpunkten, för ungefär 13,7 miljarder år sedan, gjordes universum endast av partiklar. De spriddes fritt genom spädbarnskosmos och strömmade ständigt. Dessa inkluderar mesoner, pioner, baryoner och hasroner (för vilken gaspedalen heter).

Partikelfysiker (de som studerar dessa partiklar) misstänker att materien består av minst tolv typer av grundläggande partiklar. De är indelade i kvarkar (nämnda ovan) och leptoner. Det finns sex av varje typ. Det står bara för några av de grundläggande partiklarna i naturen. Resten skapas i superenergiska kollisioner (antingen i Big Bang eller i acceleratorer som LHC). Inuti dessa kollisioner får partikelfysiker en mycket snabb inblick i hur förhållandena var i Big Bang, när de grundläggande partiklarna först skapades.

Vad är LHC?

LHC är världens största partikelaccelerator, en storsyster till Fermilab i Illinois och andra mindre acceleratorer. LHC ligger nära Genève, Schweiz, byggt och drivs av Europeiska organisationen för kärnforskning och används av mer än 10 000 forskare från hela världen. Längs sin ring har fysiker och tekniker installerat extremt starka superkylda magneter som styr och formar partiklarna genom ett strålrör). När strålarna rör sig tillräckligt snabbt leder specialmagneter dem till rätt positioner där kollisionerna äger rum. Specialiserade detektorer registrerar kollisionerna, partiklarna, temperaturen och andra förhållanden vid tidpunkten för kollisionen och partikelåtgärderna i miljarder sekund under vilken krossningen äger rum.

Vad har LHC upptäckt?

När partikelfysiker planerade och byggde LHC var en sak de hoppades kunna hitta bevis för Higgs Boson. Det är en partikel uppkallad efter Peter Higgs, som förutspådde dess existens. 2012 meddelade LHC-konsortiet att experiment hade avslöjat förekomsten av en boson som matchade de förväntade kriterierna för Higgs Boson. Förutom den fortsatta sökningen efter Higgs har forskare som använder LHC skapat det som kallas en "quark-gluon plasma", som är den tätaste materien som tros finnas utanför ett svart hål. Andra partikelexperiment hjälper fysiker att förstå supersymmetri, som är en rymdtidssymmetri som involverar två relaterade typer av partiklar: bosoner och fermioner. Varje partikelgrupp tros ha en associerad superpartnerpartikel i den andra. Att förstå sådan supersymmetri skulle ge forskare ytterligare inblick i vad som kallas "standardmodellen". Det är en teori som förklarar vad världen är, vad som håller samman sin materia och de krafter och partiklar som är inblandade.

LHC: s framtid

Verksamheten vid LHC har inkluderat två stora "observerande" körningar. Mellan var och en renoveras och uppgraderas systemet för att förbättra dess instrumentering och detektorer. Nästa uppdatering (planerad för 2018 och därefter) kommer att inkludera en ökning av kollisionshastigheter och en chans att öka maskinens ljusstyrka. Vad det betyder är att LHC kommer att kunna se allt mer sällsynta och snabbt förekommande processer av partikelacceleration och kollision. Ju snabbare kollisionerna kan inträffa, desto mer energi kommer att frigöras när allt mindre och svårare att upptäcka partiklar är involverade. Detta kommer att ge partikelfysiker en ännu bättre titt på materiens byggstenar som utgör stjärnor, galaxer, planeter och liv.