I MORGEN BEGYNNER en mulig revolusjon utenfor Geneve i Sveits.

Mer bestemt skjer det noe i en 27 kilometer lang,rund tunnel, 100 meter under bakken, ved laboratoriet CERN. Vi snakker om Large Hadron Collider (LHC), verdens største eksperiment, som står ferdig etter over 20 års planlegging og bygging.

Hva skal dette fysikkens nye superverktøy brukes til?

LHC ER BYGGET og drives av 8000 fysikere fra over 80 land.

Den er blitt kalt «verdens kuleste dings» og «Big Bang-maskinen» — men hva skal den gjøre?

Svaret er at den skal kollidere bittesmå partikler med 3.5 ganger mer energi enn vi tidligere har gjort i et laboratorium. Den gjør den til vårt kraftigste verktøy for å forske på både det aller minste og det aller største vi vet om. Blant målene er å studere «den mørke materien» vi vet at det er masse av ute i verdensrommet, å lete etter en lenge savnet bitteliten partikkel, og å studere det første brøkdels sekundet i universets levetid.

DA GALILEO GALILEI laget det første teleskopet oppdaget vitenskapsmenn at himmelen og verdensrommet er mer rikholdige enn vi trodde.

Kikkertene kunne fange inn svakere lys enn øynene våre, og lot oss se Jupiters måner, is på polene til vår naboplanet Mars, andre galakser og etter hvert også planeter rundt andre soler.

De store tingene i universet er ukjente, uventede og spennende.

I den andre enden viste de første mikroskopene oss en miniverden som er minst like rik og mangfoldig som den vi er vant til — sengelopper, celler, blodlegemer, bakterier, og etter hvert også molekyler og atomer.

Alt i naturen rundt oss er satt sammen av atomer, og inntil for ca. hundre år siden var disse de minste byggesteinene vi visste om i naturen.

MEN ATOMENE KAN DELES OPP. De siste hundre årene har sett flere revolusjoner i forståelsen vår av de minste byggesteinene i naturen — det vi kaller elementærpartiklene.

Vi vet i dag at atomene er ganske enkle — de består av en sky av små partikler kalt elektroner, som svirrer rundt kjerner bestående av to andre partikler, protoner og nøytroner.

Disse kan igjen også deles opp, og består av det vi kaller kvarker som holdes sammen av gluoner.

Sammen med om lag femten andre partikler utgjør disse det vi kaller «standardmodellen for partikkelfysikk», en beskrivelse av de minste byggesteinene i naturen som har stått siden 1960-tallet.

Fra 1897, da elektronet ble oppdaget i England, og frem til 1995 og 2000, da henholdsvis toppkvarken og tau-nøytrinoet ble funnet ved Fermilab i USA, har alle partiklene i standardmodellen blitt sett og studert — unntatt en, som vi straks kommer tilbake til.

Teorien har blitt testet i eksperimenter bedre enn noen annen fysisk teori — men likevel vet vi at den enda ikke er hele sannheten.

STANDARDMODELLEN har vært en fantastisk suksess i 40 år, men likevel vet vi at det er spørsmål den ikke kan svare på. Et problem, som har vært kjent siden 1931, er at universet inneholder store mengder av noe vi kaller «mørk materie».

Navnet betyr at det består av en eller flere typer stoff som ikke lyser, og som vi dermed ikke kan se med teleskop eller andre instrumenter. Vi kan derimot se effekten av mørk materie i hvordan galakser beveger seg, hvordan lys bøyes rundt tunge galaksehoper, hvordan galaksene i universet er fordelt, og så videre.

Noe av den består antakeligvis av partikler kalt nøytrinoer, som vi kommer tilbake til under, men disse er ikke på langt nær nok til å forklare alt vi ser. Den mørke materien er der — men den kan ikke forklares ut fra standardmodellen.

Et annet problem er standardmodellen forutsier fenomener som vi enda ikke har klart å oppdage i noe eksperiment. Tenk deg at du kjøper et byggesett og setter det sammen etter bruksanvisningen, men når du setter modellen på bordet så vil den ikke stå oppreist. Alt burde stemme, men noe må allikevel mangle. Dette er situasjonen partikkelfysikere er i.

Standardmodellen — som er bruksanvisningen for byggesettet «naturen» - både sier at det skal finnes en ekstra partikkel og forteller oss omtrent hvordan den må oppføre seg, men etter 40 år har vi fortsatt ikke klart å finne den.

Hva er galt?

HVORDAN DENNE IDEEN DUKKET OPP gir en god illustrasjon på hvordan fysiske teorier utvikles. Standardmodellen har blitt til over lang tid. Alt vi ser rundt oss kan altså forklares av fem partikler: To kvarker, gluoner som binder disse sammen til atomkjerner, elektroner som svirrer rundt kjernene, og fotoner, bedre kjent som lys.

Fotonene er både det som holder elektronene fast på kjernen, og som er ansvarlig for å binde atomer sammen til molekyler og større stoffer.

Men enkelte hendelser i naturen, for eksempel noen typer radioaktivitet, kan ikke forklares ut fra bare disse fem byggeklossene. Man fant derimot ut at disse hendelsene skyldes andre bestanddeler — såkalte nøytrinoer, samt to partikler kalt W og Z.

I LHC-lignende eksperimenter, og i studier av kosmisk stråling, fant man dessuten flere kvarker enn de to vanlige, og et par tyngre slektninger av elektronet.

Kosmisk stråling er partikler med enorm energi som hele tiden bombarderer jorden fra verdensrommet, og LHC kan sies å være et spedt forsøk på å gjenskape i et laboratorium noe naturen hele tiden driver med rundt oss. Til sammen sitter vi igjen med en håndfull partikler, og regler for hvordan de kan oppføre seg, som til sammen altså kalles standardmodellen, og som kan forklare alt vi ser rundt oss til daglig.

DA STANDARMODELLEN tok form på 60-tallet så den ut til å samle mange løse tråder på en god måte, men hadde ett fundamentalt problem.

Den forutsa at en del partikler ikke burde ha noen masse, noe man ut fra eksperimenter godt visste at de hadde. I byggesett-eksemplet er det som om tyngdepunktet til modellen blir feil — det var ingen måte å få den til å stå oppreist på. Dermed måtte teorien være gal — eller?

En mulig løsning var å bruke et matematisk triks, kalt et spontant symmetribrudd, for å tvinge ligningene til å forutsi masse for partiklene.

I analogien: Å tvinge modellen til å ta en litt annen form, slik at den allikevel er stabil.

Dette, den såkalte Higgs-mekanismen, fungerte utmerket, men hadde en stiv pris. Ligningene begynte samtidig å forutsi en ekstra partikkel, som ble kjent som Higgspartikkelen.

Kan triksing med ligninger virkelig forutsi en partikkel det til nå har tatt over 40 år å oppdage?

Det høres kanskje sært ut, men det er slik samspillet mellom fysikk og matematikk fungerer.

Lignende forutsigelser har vært gjort med stort hell tidligere, og har ledet til viktige oppdagelser og mange Nobelpriser i fysikk.

HIGGSPARTIKKELEN, mørk materie, og mye annet, er temaer LHC skal ta opp.

Langs den 27 kilometer lange ringen sendes det stråler bestående av milliardvis av protoner — hydrogengass som har blitt fratatt elektronene sine.

Selve LHC har som eneste oppgave å få disse protonene til å fly så fort som mulig.

Strålene går begge veier, med og mot klokka, og på fire punkter rundt ringen krysser de slik at protonene kan kollidere.

Rundt disse punktene er det bygget digitalkameraer på størrelse med bolighus, kalt detektorer, spesiallaget for å ta bilder av restene etter protonkollisjoner.

Grunnen til å gjøre dette kan vi se i Albert Einsteins berømte ligning E=mc². Her er c lyshastigheten, som bare er et tall. De to andre symbolene er energi (E) og masse (m), og ligningen sier at hvis vi har mye energi kan vi få laget noe med høy masse.

Enkelt sagt: I kollisjonene ved LHC kan vi få dannet tunge partikler — kanskje tyngre enn noen vi har sett før? Det er slik vi har oppdaget alle nye partikler de siste 50 årene, enten ved hjelp av kosmisk stråling eller maskiner som LHC, og håpet er at vi nå skal kunne avdekke enda flere.

Slik sett blir LHC den per i dag kraftigste utvidelsen vi har av sansene våre, et super-mikroskop for å studere bittesmå partikler.

SAMTIDIG ER DET EN VIKTIG forskjell.

Et vanlig mikroskop lar oss se på naturen rundt oss slik den er nå. LHC og dens slektninger lar oss derimot, for veldig korte øyeblikk, skape partikler som er for tunge til å finnes naturlig i dag, men som for eksempel eksisterte like etter Big Bang, universets fødsel.

Da universet begynte var alt tett og varmt, og naturen hadde nok energi til å skape også tunge partikler. Ved å kollidere protoner i et laboratorium gjenskaper vi — i ekstrem miniatyr — forholdene som rådet bare et brøkdels sekund etter Big Bang, det vil si for om lag 13.7 milliarder år siden.

Dette er grunnen til at LHC blir kalt «Big Bang-maskinen», og til at den kan regnes som et bindeledd mellom partikkelfysikk og kosmologi, studiet av universet på stor skala.

HVA KAN VI OPPDAGE VED LHC? Hvorfor har vi ikke sett Higgspartikkelen enda? Jo, fordi den har vært for tung til å bli laget i tidligere eksperimenter. Alternativt er det fordi den faktisk ikke finnes, og deler av standardmodellen er feil.

Begge disse mulighetene holdes åpne, men det vi vet er at LHC er kraftig nok til å teste dem begge i løpet av noen år.

Mørk materie, hva den enn måtte bestå av, regner vi med at kan lages på samme måte bare vi har nok energi.

Ingen eksperimenter har hittil sett noe som kan passe med beskrivelsen, men LHC har per i dag 3.5 ganger mer energi enn noen tidligere akselerator.

Kan det være nok til å lokke naturen til å lage litt mørk materie som vi så kan studere i detektorene våre?

LHC handler dessuten ikke bare om å oppdage nye partikler. Å forstå de minste bitene i universet og hvordan de har utviklet seg frem til i dag krever mange detaljerte studier, og mye av målet med den nye maskinen er å studere den fysikken vi alt kjenner men ved høyere energier. Kanskje ikke like spennende å fortelle om, men uten disse detaljstudiene blir det umulig å avgjøre om noe «nytt» vi ser faktisk er nytt, eller bare en effekt av unøyaktig forståelse av andre ting.

30. MARS 2010, altså i dag, gjør LHC de første forsøkene på å kollidere protoner ved rekordenergien 7 TeV, eller om lag en mikrojoule. Det høres kanskje ikke enormt ut, og for oss mennesker er det nesten umålbart lite, men for bittesmå partikler er det veldig mye.

De første bildene av slike kollisjoner vil komme med en gang, men etter det trenger fysikerne tid til både å forstå selve maskinen og til å studere fysikken i kollisjonene. Det trengs dessuten mer enn bare noen få bilder til disse studiene.

For å vite hva som er vanlig og hva som er uvanlig og nytt, må vi bygge opp et bibliotek av mange, mange millioner bilder. Det tar tid.

Planen per i dag er at LHC skal kollidere protoner med energi på 7 TeV i 18 - 24 måneder, og deretter ha en normal teknisk stans på ett år mens fysikerne analyserer resultatene.

Samtidig skal maskinen oppgraderes, slik at vi kan få enda en dobling av energien innen 2013.

Men vi trenger ikke vente så lenge på resultater. Allerede sommeren 2010 håper eksperimentene å kunne presentere de første hintene. Hvis vi er heldige og naturen har overraskelser på lager som er lette å se, kan vi allerede da ha sett spor etter mørk materie eller lignende nyheter. Higgspartikkelen vil sannsynligvis være vanskeligere, og det vil ta minst et par år før vi kan si noe her.

DET MEST SPENNENDE er likevel at vi virkelig ikke vet hva slags partikler naturen inneholder, og dermed hva slags ny fysikk vi kan vente å se i LHCs kollisjoner. Naturen har hatt en tendens til å overraske når vi har skrudd opp energien i slike maskiner, og mange både håper og tror at dette også vil skje denne gangen. Fysikerne ved CERN, LHC og de 80 medlemslandene vil derfor prøve å holde øyne og sinn helt åpne når resultatene begynner å komme, og studere hva enn det er naturen viser seg å ha på lager.

De første bildene fra LHC er ventet å komme før lunsj i morgen.

Denne artikkelen er skrevet for Magasinets nettredaksjon, og ikke publisert i papirutgaven. Har du spørsmål eller kommentarer, send dem til oss på e-post.