Helg

Her jakter de på universets mørke

Dypt under jorda, på grensa mellom Sveits og Frankrike, forberedes eksperimenter som kan sprenge kunnskapen vår om verden. Fysikerne spår nye store oppdagelser i løpet av de neste to-tre årene.

Her, i LHC-tunnelen, dypt under jorda utenfor Genève akselereres protoner helt oppunder lysets hastighet. FOTO: SIDSEL FLOCK BACHMANN/FORSKNINGSRÅDET

GENÈVE (Dagsavisen): - Hvis jeg skulle gått til et bettingselskap og satt pengene mine på noe, da vet jeg hva jeg ville ha satt dem på, sier fysikkprofessor Are Raklev og stanser opp et øyeblikk før han fortsetter.

- Jeg ville ha satt dem på mørk materie.

Skal vi tro Raklev kan de neste årene bli starten på slutten for ett av de største mysteriene innen fysikken. Vi kan stå overfor oppdagelser som vil sprenge kunnskapen vår om hvordan verden fungerer.

Partikkelkollisjoner

Det er her han tror svaret kan komme. Hundre meter under bakken utenfor Genève i Sveits. Inne i en 27 kilometer lang tunnel som strekker seg over grensa til Rhône-Alpes i Frankrike, der vinrankene ligger som tepper utover landskapet, i skyggen av Jurafjellene, som reiser seg snøkledd mellom elvene Rhinen og Rhône.

I denne tunnelen ligger verdens mest avanserte maskin: Large Hadron Collider (LHC). Skapt for å forske på de minste byggesteinene universet er satt sammen av. LHC er en såkalt partikkelakselerator, den største som er bygd, og står i sentrum for forskningsprosjekter med flere tusen fysikere involvert.

I LHC akselereres protoner helt oppunder lysets hastighet, gjennom to rør som er gjort tommere og kaldere enn det ytre rom. To stråler med partikler sendes ved hjelp av magneter i hver sin retning. Når de når maksimal hastighet går de rundt 11.000 ganger rundt hvert sekund, og det er da de ledes inn for å kollidere i detektorer på størrelse med høyblokker. Der braker de sammen i «voldsomme» kollisjoner. I disse kollisjonene dannes nye partikler, og det er de fysikerne er på jakt etter.

Gudepartikkelen

Stedet er Cern. Den internasjonale organisasjonen for partikkelfysisk forskning, med Norge som en av 20 medlemsstater. Det var her det som i dag er kjent som World Wide Web ble utviklet. Det var fra Cern den første nettsiden ble lagt ut i 1991. Og det var her generaldirektør Rolf-Dieter Heuer 4. juli 2012 inntok podiet foran et fullsatt auditorium, og TV-seere verden over. Det var her han fikk jubelen til å bryte løs, med noen enkle forløsende ord:

- Jeg tror vi har den.

Slik annonserte Heuer oppdagelsen av Higgs-bosonet, eller «gudepartikkelen», som mediene døpte den. Aldri før har så mange blikk vært rettet mot noe så lite. Oppdagelsen fikk fysikere som var hentet inn til TV-studioene for å forklare oppdagelsen, til å bryte sammen i tårer på direkten. Funnet ble sågar sammenlignet med månelandingen.

Om ikke annet sier det noe om hvilke følelser som sto i sving, og hva som sto på spill.

- Det blir store ord når man snakker om Higgs, sier partikkelfysiker Maiken Pedersen og ser ut over landskapet der fysikerne ved Cern for ett og et halvt år siden sto i kø for å få en plass i auditoriet der funnet av dette elementære bosonet skulle presenteres.

- Det er rett og slett slik at om vi ikke hadde en partikkel som fungerte som Higgs ville ingen elementærpartikler hatt masse, og da ville vi ikke hatt et univers med stjerner, planeter eller oss selv, sier Pedersen.

Være eller ikke være

Det var mye som sto på spill. I seg selv var det en nyhet at det var funnet en ny partikkel. Siden «gullrushet» på 1950- og 60-tallet, da fysikerne stadig oppdaget nye partikler, har det vært langt mellom slike nyheter. Det var likevel noe spesielt med Higgs, som gjorde at tusener av forskere, milliarder av kroner og flere år med forskning har gått med til jakten på den.

Fysikerne har jaktet på Higgs helt siden partikkelen ble forutsagt på grunnlag av ren matematikk på midten av 1960-tallet. Som fysiker Bjørn H. Samset beskriver det i boka «De hemmelige partiklene» har eksistensen av den vært et slags «være eller ikke være» for forståelsen vår av naturen. Uten Higgs-mekanismen ville ikke partiklene i standardmodellen hatt masse, og det er, som Pedersen påpeker, rett og slett ikke mulig. Funnet bekreftet den såkalte standardmodellen, det teoretiske rammeverket for forståelse vår av naturen.

- Higgs er ikke bare nok en partikkel, det bekreftet det vi har trodd i snart femti år, sier forskningsdirektør Sergio Bertolucci når han på spørsmål fra Dagsavisen skal forklare betydningen av funnet.

Det neste store

Bertolucci viser til at naturen kan være grusom. Vi har teorier for hvordan den fungerer, men naturen bryr seg ikke om teorier. Noen ganger har vi rett om hvordan den virker, andre ganger ikke.

Higgs bekreftet altså teorien. Standardmodellen var reddet. Og ved Cern pustet de lettet ut. Siden LHC ble startet opp i 2008 har kreftene i all hovedsak gått med til jakten på Higgs. Det var den man skulle «fange».

Problemet er bare dette: Standardmodellen beskriver bare 4-5 prosent av alt det som er rundt oss i universet. Resten vet vi fint lite om. Sånn sett kan Higgs sees på ikke bare som siste kapittel i en bok, men også det første i en ny. Med funnet av Higgs håper fysikerne på at vi skal stå foran nye oppdagelser, som vil gi oss en ny og dypere forståelse av naturen.

Og det er her vi kommer til Are Raklevs tips til hva du skal sette pengene dine på om du går til et bettingselskap. Spørsmålet var hva som blir den neste store oppdagelsen ved Cern. Og svaret var altså mørk materie.

Raklev er ikke alene om dette svaret. Det samme svaret gir Bertolucci, forskningsdirektøren ved Cern.

- Gi oss to-tre år, svarer han når Dagsavisen spør hvor mye tid de trenger.

Mørk materie

Standardmodellen forklarer altså fire prosent av det som er rundt oss. Resten er mørk materie og mørk energi.

Så hva er egentlig mørk materie?

- Ja, det er jo det vi ikke vet, da. Hadde jeg visst det, kunne jeg ha forventet meg en tur til Stockholm snart, sier Raklev med henvisning til utdelingen av Nobelprisen i fysikk, som for 2013 gikk til Peter Higgs og François Englert for arbeidet med Higgs-bosonet.

På tross av at man ikke vet hva det er, anslår forskerne at mørk materie utgjør 25 prosent av universet, og over 80 prosent av all masse i universet.

En grunn til at de kaller det mørk materie er rett og slett at man vet lite om det. En annen er at mørk materie ikke lyser, det sender ikke ut stråling.

Det forskerne vet om mørk materie vet de fra hvordan det påvirker universet i stor skala, hvordan galakser påvirker hverandre, hvordan stjerner beveger seg i galakser.

- Standardmodellen forklarer jo de vanlige partiklene vi er bygd opp av, elektroner og kvarker og slikt, den er viktig fordi den bygger vanlig materie. Det handler om det vi ser rundt oss, det både planter og vi selv er bygd opp av. Men mørk materie bygger ikke vanlig stoff, det er noe annet, men det er masse av det. Om lag 25 prosent av det vi tror universet består av er altså mørk materie, men det er ikke vanlig stoff. For å forstå mer av alt er mørk materie veldig, veldig viktig. Uten mørk materie, og uten de partiklene som må være der uten at vi egentlig klarer å se dem direkte, ville ikke universet ha utviklet seg på den måten det gjør i dag. Det er på en måte med i hele regnestykket, sier Maiken Pedersen.

- Så har du mørk energi da, men det kan vi ikke finne i partikkelakseleratoren, legger hun til.

Starter opp for full kraft

Det er stille nede i tunnelen, et sted på grensa mellom Sveits og Frankrike, når Dagsavisen besøker Cern. Ved utgangen av 2012, noen måneder etter oppdagelsen av Higgs, ble partikkelakseleratoren stengt. Det er ingen strømmer av protoner som kolliderer i Alice og de tre andre detektorene.

De eneste som er her nede nå, jobber med å oppgradere og forberede LHC på jakten etter nye partikler.

Fem år etter at LHC først startet opp, er spenningen stor før den skal startes opp igjen, etter planen i starten av 2015.

Det er ikke uten grunn. LHC har ikke kjørt for full maskin. Så langt har de kjørt på 8 terraelektronvolt (TeV), men kapasiteten er på 14 TeV. Når det starter opp igjen i starten av 2015, skal det kjøres på for fullt. Det vil ha stor betydning for hva det er mulig å finne, dørene åpnes til en verden av tyngre partikler.

- Kort sagt handler det om den ene ligningen alle kjenner fra fysikken, Einsteins berømte E=mc2. For når man nesten dobler energien i eksperimentet på LHC, betyr det at man kan skape nye partikler med nesten dobbelt så mye masse. Og det man håper på er at disse mørk materie-partiklene er akkurat i det nye intervallet man da har tilgang til. Så jo mer energi vi har, desto tyngre og mer eksotisk partikkelbase kan vi skape, sier Raklev.

Slikt får et fysikerhjerte til å banke litt raskere.

Nye elementærpartikler

Har fysikerne rett, består mørk materie av en ny type elementærpartikler som ennå ikke er oppdaget. I jakten på dem kommer også nye teorier inn, i forlengelsen av standardmodellen. Det som regnes som en av de mest lovende er supersymmetrien.

Ifølge supersymmetrien har alle elementærpartikler en egen «superpartner». Teorien er aldri bekreftet. Det er aldri funnet supersymmetriske partikler. Ikke engang noe hint om det. Men jakten på supersymmetriske partikler fortsetter: Forklaringen på at de ikke er funnet, kan ifølge fysikerne være at de er er tyngre enn sine vanlige partnere, og at det derfor trengs høyere energi for å oppdage dem.

- Oppjusteringen av LHC er helt midt i blinken, så det er det alle venter på. Det er en øvre grense for hvor tunge disse partiklene kan være, for hvis de er tyngre enn en viss grense, bryter egentlig teorien sammen. Og den grensen passer godt til LHC, sier Maiken Pedersen.

Så hva har supersymmetri å gjøre med mørk materie? Teorien regnes for å ha gode kandidater til mørk materie, og kan dermed være en forklaring på hva det er.

Ikke bare en Higgs

Selv om mørk materie kan bli den neste store oppdagelsen ved Cern, handler ikke alt om dette. Mørk materie er bare ett av mysteriene fysikerne sliter med.

Vi har altså kunnskap om bare fire-fem prosent av alt universet består av. Akkurat dét er ikke nødvendigvis et problem, mener Raklev.

- Du kan se på det som en kjempemulighet til å gjøre nye oppdagelser. Veletablerte teorier er kjedelig fra et fysikkståsted, det morsomme er å ødelegge teorier, å gjøre nye oppdagelser som gjør at vi må tenke på nye ting, sier han.

Dét var også tilfellet med Higgs-bosonet. For midt i all jubelrusen var det også fysikere som var skuffet, som mente det ville være morsommere om det ikke eksisterte, slik at man ble tvunget til å tenke nytt.

- Svar som har vært opplagte ville endt i søppelkassa. Så det vi forsøker å gjøre med Higgs-bosonet nå, er å se om det finnes egenskaper ved det som bryter med det vi forventer. Vi er ikke interessert i å bekrefte ting, vi er interessert i å avkrefte, sier Raklev.

- Man er veldig opptatt av å understreke at man har funnet ett Higgs-boson, ikke dét Higgs-bosonet? Hva betyr det?

- Det betyr at det herrene Englert og Higgs fikk Nobelprisen for var en prinsipiell greie, en prinsipiell matematisk mekanisme for å gi masse til elementærpartikler. Men den teorien, eller modellen, vi har over mikrokosmos har en bestemt måte å bruke den mekanismen på, som bare er én av mange muligheter. Det finnes muligheter å bruke mekanismen på hvor Higgs-bosonet har andre egenskaper, det finnes måter hvor det er mange Higgs-bosoner, tre, fire, fem, eller enda flere, sier Raklev.

Etter Big Bang

Et annet mysterium Raklev og andre tilhengere av supersymmetri håper teorien kan bidra til å forklare, er hvorfor det finnes mer materie enn antimaterie.

- Vår forståelse av big bang sier at det burde vært laget like mye materie som antimaterie. Så hvor er det blitt av? Vi ser ikke noe antijord, vi har ikke noen antimennesker gående rundt omkring, sier Raklev og legger til at supersymmetrien har en rolle til å forklare dette.

Han vedgår likevel at teorien har en liten mangel.

- Vi har ikke funnet noe direkte tegn til den, og med det mener vi en partikkel. For det supersymmetrien forutsier er en hel zoologisk hage med nye elementærpartikler, sier han.

Høyrisiko

Inne på et kontor legger Sergio Bertolucci hendene på bordet.

- Grunnforskning er høyrisiko, sier han og legger ut om hvordan det ikke handler om å bekrefte, men om å skrive bøker. Man vet ikke at man skal finne noe nytt når man kjører i gang med et nytt eksperiment, men verdien av ikke å finne noe vil uansett øke kunnskapen.

- Når du gjør noe der du bruker skattebetalernes penger, ønsker du å gjøre ting der sannsynligheten for at du finner noe nytt er høy, for å minimere risikoen, sier han. Higgs var en «known unknown», sier han. Noe som burde være der, eller om det ikke var der, gjorde det mulig å demonstrere at det ikke eksisterte.

Men når de starter opp igjen til neste år, handler det ikke bare om det som burde være der, som du håper på å finne, men også om det uventede ukjente.

- Det er litt som om du kolliderer to fotballer og får en bowlingkule ut av det, da snakker vi morsomme ting, sier Are Raklev og slår fast at det er nettopp noe helt nytt de egentlig ønsker seg.

- Vi bruker ofte frukt som analogi. Du begynner med å kollidere to druer. Så får du en skur av bananer, ananas og en og annen liten kjærlighetsfrukt, ikke sant. Det er det som skjer under sånne partikkelkollisjoner. For du begynner med protoner, som er lette, små ting. Så kolliderer de ved høye energier, og du får en skur av partikler, hvor noen av dem veier mye mer enn de protonene du begynte med, sier Raklev og stanser opp et øyeblikk før han fortsetter:

- Grunnen til at du får mer enn du startet med er bare Einsteins formel. For hvis du bare har nok energi i kollisjonen, så kan du skape nesten hva som helst.

espen.lokeland-stai@dagsavisen.no

Skriftlig kilde: «De hemmelige partiklene» 
Bjørn H. Samset, 2013

Svarte hull og ekstra dimensjoner

Mørk materie er bare ett av mysteriene fysikerne jobber med. Et annet er antimaterie, eller snarere mangelen på det.

Det stoffet vi er laget av har et motstykke, med motsatt ladning. Når de to formene møtes, utligner de hverandre, eller annihileres, og det frigjøres enormt med energi. Rett etter big bang var det like mye antimaterie som materie, men den er i dag borte. Hva som skjedde med antimaterien, er et av de store mysteriene forskerne jobber med.

Men det stanser ikke her. Vi har spurt professor Are Raklev om andre mysterier i fysikken, i tillegg til mørk materie og antimaterie.

- Det som vi kanskje på lang sikt virkelig har lyst til å gjøre, er å forklare gravitasjon på mikroskala, sier han og fortsetter:

- Den teorien vi har for gravitasjon som stammer fra Einstein, forklarer bare gravitasjon på stor skala, som den virker mellom jorda og sola, eller for så vidt også sånn som den virker mellom oss og jorda. Men hvis vi går ned på mikrokosmosskala, hvis vi går ned i atomkjernen, så vet vi at den teorien ikke fungerer lenger, den bryter rett og slett sammen matematisk. Så vi har ingen teori for gravitasjon på mikroskala. Det er regnet som et av de virkelig dype problemene i fysikken. Hvis man løser det, løser man også andre problemer.

- Hva med ekstra dimensjoner?

- Det har jo litt sammenheng med gravitasjon. Én av ideene er at det finnes masse ekstra dimensjoner i universet. Vi kjenner jo liksom til tre dimensjoner, vi kan bevege oss fram og tilbake, til venstre og høyre, opp og ned, om vi hopper litt. En del slike teorier har ekstra dimensjoner som vi ikke ser. Tenk deg det som et A4-ark, som du ruller opp i en tynn tube. Det som tidligere var en todimensjonal overflate er nå bare blitt endimensjonal langs tuben, du har på en måte mistet en dimensjon som er blitt krøllet opp. Så du tenker deg at det kanskje eksisterer sånne ekstra oppkrøllede dimensjoner som du rett og slett ikke ser.

- Hva med svarte hull? Da LHC startet opp trodde noen at det skulle lages svarte hull som slukte jorden.

- Grunnen til at vi ikke er noe bekymret for dette, er at vi vet at slike svarte hull, dersom de eksisterer, ikke er noe farlig. Grunnen til at vi vet det, er at jorda hele tida blir bombardert med kosmisk stråling med mye høyere energier enn det vi kan lage i en lab. Så hvis slike svarte hull hadde eksistert, ville de blitt produsert når den kosmiske strålingen traff jorda og jorda ville ha vært borte for lenge siden. Det at vi eksisterer, det at jorda er her i dag, forteller oss at hvis slike små svarte hull eksisterer, så er de ufarlige, sier Raklev.