Partikelacceleratorer: Maskiner som återskapar universums födelse

En maskin som vrider tillbaka klockan

Föreställ dig att du kunde spola tillbaka tiden — inte några år eller sekel, utan hela 13,8 miljarder år. Tillbaka till den allra första bråkdelen av en sekund efter Big Bang, när universum var en kokande soppa av energi och materia i sina mest grundläggande former. Det låter som science fiction, men det är precis vad som händer varje dag, djupt under markytan vid forskningsanläggningar runt om i världen.

Partikelacceleratorer är mänsklighetens mest ambitiösa försök att förstå vad vi är gjorda av — på den allra mest fundamentala nivån. De är våra tidsmaskiner, våra mikroskop in i materiens innersta väsen, och kanske det närmaste vi kommer att spela samma instrument som universum en gång spelade vid alltings begynnelse.

Vad är egentligen en partikelaccelerator?

I sin enklaste form är en partikelaccelerator precis vad namnet antyder: en maskin som accelererar partiklar. Små, subatomära partiklar — protoner, elektroner eller joner — drivs upp till hastigheter som närmar sig ljusets. Sedan krockar de, antingen med varandra eller med ett stillastående mål.

Men varför? Jo, för att se vad som händer.

Det kan låta barnsligt enkelt, och i någon mening är det just det — samma nyfikenhet som driver ett barn att slå sönder en leksak för att se vad som finns inuti. Men i partikelfysikens värld avslöjar dessa kollisioner något långt mer fascinerande än kugghjul och fjädrar. När partiklar kolliderar vid enorma energier skapas nya partiklar — partiklar som inte fanns där innan, som uppstår ur den rena energin i krocken. Det är Einsteins berömda formel E = mc² i praktiken: energi kan bli materia, och materia kan bli energi.

Två grundtyper

Det finns i huvudsak två typer av partikelacceleratorer:

• Linjära acceleratorer (linacs): Partiklarna accelereras i en rak linje. De är ofta enklare i sin konstruktion men kan vara extremt långa — Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) i Kalifornien sträcker sig över tre kilometer.
• Cirkulära acceleratorer (synkrotroner och cyklotroner): Partiklarna cirkulerar runt i en ring och får en energiknuff vid varje varv. Det är här de riktiga jättarna finns — som Large Hadron Collider (LHC) vid CERN, vars tunnel bildar en ring med en omkrets på hela 27 kilometer under gränsen mellan Schweiz och Frankrike.

CERN och Higgsbosonens äventyr

Det är omöjligt att tala om partikelacceleratorer utan att nämna CERN — Europeiska organisationen för kärnforskning — och dess kronjuvel, LHC. Det är världens största och mest kraftfulla partikelaccelerator, och det var här som ett av vetenskapshistoriens mest eftertraktade byte till slut infångades.

Den 4 juli 2012 tillkännagav forskare vid CERN att de hade upptäckt en ny partikel som stämde överens med den länge förutsagda Higgsbosonen. Det var kulmen på nästan femtio års sökande, sedan den teoretiska fysikern Peter Higgs och flera andra oberoende av varandra hade föreslagit att det borde finnas ett fält — Higgsfältet — som genomsyrar hela universum och ger partiklar deras massa.

Föreställ dig att du försöker gå genom ett rum fullt av människor. Om du är en okänd person glider du rakt igenom utan motstånd — du är som en foton, masslös och snabb. Men om du är en kändis samlas folk omkring dig, bromsar dig, gör dig "tyngre" att flytta. Higgsfältet fungerar ungefär så — olika partiklar interagerar olika starkt med fältet, och det är denna interaktion som vi uppfattar som massa.

Upptäckten belönades med Nobelpriset i fysik 2013, som tilldelades Peter Higgs och François Englert. Det var ett ögonblick som visade att decennier av teoretiskt arbete, kombinerat med en enorm ingenjörsinsats, kunde avslöja universums djupaste hemligheter.

Vad händer inuti en partikelaccelerator?

Låt oss ta en resa in i LHC för att förstå vad som faktiskt pågår.

Steg 1: Födelsen av en stråle

Det börjar med en liten flaska vätgas. Väteatomer frånskiljs sina elektroner, och kvar blir nakna protoner. Dessa protoner matas in i en serie allt kraftigare acceleratorer — som en kosmisk staffettävling — innan de når den stora ringen.

Steg 2: Accelerationen

Inne i LHC:s ring cirkulerar två protonstrålor i motsatt riktning, styrda av supraledande magneter som är nedkylda till −271,3 °C — kallare än yttre rymden. Radiofrekventa kaviteter ger protonerna energiknuffar vid varje varv, tills de rör sig med 99,9999991 procent av ljusets hastighet.

Steg 3: Kollisionen

Vid fyra punkter längs ringen korsar strålarna varandras vägar. Här sker kollisionerna — uppskattningsvis omkring en miljard proton-proton-kollisioner per sekund vid full intensitet. Varje kollision är ett miniuniversum, en liten Big Bang i miniformat.

Steg 4: Detektionen

Enorma detektorer omger kollisionspunkterna. ATLAS-detektorn, exempelvis, är 25 meter hög och 46 meter lång — stor som en femvåningsbyggnad. Den registrerar de partiklar som flyger ut från kollisionerna, mäter deras banor, energier och identiteter. Det är som att försöka rekonstruera en explosion genom att studera skärvorna.

Mer än bara partikelfysik

Det är lätt att tro att partikelacceleratorer bara är till för att jaga exotiska partiklar, men deras tillämpningar sträcker sig långt utanför den rena grundforskningen.

• Medicinsk behandling: Partikelterapi, där proton- eller jonstrålar används för att behandla cancer, bygger direkt på acceleratorteknologi. Strålarna kan riktas med millimeterprecision för att förstöra tumörer och samtidigt skona omgivande frisk vävnad.
• Materialvetenskap: Synkrotronljuskällor — en typ av cirkulär accelerator — producerar intensivt röntgenljus som används för att studera materialers struktur på atomnivå. Allt från nya läkemedel till starkare material kan utvecklas med hjälp av denna teknik.
• Kulturarv: Samma teknik har använts för att analysera antika föremål utan att skada dem — för att avslöja dolda pigment i tavlor eller sammansättningen hos historiska metallegeringar.
• Webben: Och så den kanske mest oväntade bieffekten av alla — World Wide Web uppfanns vid CERN 1989, av Tim Berners-Lee, som behövde ett sätt att dela data mellan forskare världen över.

Framtiden: Ännu större drömmar

CERN har redan börjat planera för nästa generation. Future Circular Collider (FCC) är ett förslag på en ny accelerator med en omkrets på nästan 100 kilometer — nästan fyra gånger så stor som LHC. Tanken är att den ska kunna nå energier som är sju till åtta gånger högre än LHC:s nuvarande kapacitet.

Men det finns också andra vägar framåt. Forskare utforskar ny acceleratorteknik som plasmaacceleratorer, där partiklar surfar på vågor i ett plasma och kan accelereras över mycket kortare sträckor. Det kan tänkas att framtidens acceleratorer inte behöver vara gigantiska ringar under jorden, utan kompakta maskiner som ryms i ett enda laboratorium.

Vad hoppas forskarna hitta? Listan är lång och lockande:

• Mörk materia: Vi vet att ungefär 27 procent av universum består av mörk materia — men vi vet inte vad den är. En kraftfullare accelerator kanske kan producera mörk materias partiklar i kontrollerade kollisioner.
• Supersymmetri: En teoretisk utvidgning av standardmodellen som förutsäger att varje känd partikel har en tyngre "superpartner". Hittills har ingen hittats — men högre energier öppnar nya dörrar.
• Materiens ursprung: Varför finns det mer materia än antimateria i universum? Om Big Bang skapade lika mycket av båda borde de ha utplånat varandra. Något bröt balansen — och partikelacceleratorer kan vara nyckeln till att förstå vad.

En reflektion i ljusets hastighet

Det finns något djupt poetiskt i partikelacceleratorer. Vi bygger tunnlar djupt under jorden för att rikta blicken mot universums mest fundamentala beståndsdelar. Vi återskapar förhållanden som rådde bråkdelar av sekunder efter alltings början — inte för att vi måste, utan för att vi vill förstå.

I en värld som ibland kan kännas mörk och förvirrande påminner oss dessa maskiner om något vackert: att nyfikenhet är en av mänsklighetens starkaste krafter. Att driften att ställa frågor — Vad är vi gjorda av? Varifrån kommer vi? Vad finns där ute? — är lika gammal som stjärnljuset vi en gång stirrade på från savannerna.

Partikelacceleratorer är, i sin essens, monument över den mänskliga nyfikenheten. Och varje kollision, varje ny partikel som dyker upp ur energins kaos, är ett litet svar — och en inbjudan till ännu fler frågor.

Det är kanske det finaste med vetenskapen: den slutar aldrig med ett svar. Den börjar alltid med ett nytt äventyr.