Universets gåter

 Albert Einsteins relativitetsteori, standardmodellen for partikkelfysikk, og mye annen forskning har gitt svar på mange mysterier. Men fortsatt står flere spørsmål om universet og naturens oppbygging ubesvart. Gåtene som Higgspartikkelen og mørk materie kan nå potensielt få en løsning. Alternativt kan de anerkjente teoriene veltes.

10 September 2008 sto verdens største partikkelakselerator LHC klar til bruk. Maskinen er et omfattende forkningsproskjekt fra CERN i Geneve. I en rund tunell under bakken skal det krasjes hadroner, og forskerne håper å få nye kunnskaper om mørk materie, sorte hull, naturens byggeklosser og verdens opprinnelse.

Partikkelakseleratorer er ingen nyhet, innretningen brukes blant annet i bilderør i en vanlig TV. Akseleratoren gir elektrisk ladde partikler høy hastighet ved hjelp av elektrisk kraft, og styrer dem, enten i sirkel eller rett frem. LHC (Large Hadron Collider) er derimot av et litt annet kalliber. Akseleratoren står i en 27 km. lang tunnell 100 meter under jorda og kan aksellere hadroner med  3,5 ganger høyere hastighet enn noen har klart tidligere.  Hadronene skal kollidere med hverandre, og dermed fisjonerer de til kvarker og andre elementærpartikler. Når de gjør det, står fire stasjoner klare til å ta bilder som forhåpentligvis vil kunne vise hvordan partikkelbitene reagerer. Ikke minst håper forskerene å finne den omstridte Higgspartikelen som de har lett etter i 40 år.

Kollisjonene vil være en slags konstruksjon av hva som skjedde rett etter Big Bang, og energien er så høy at ny informasjon potensielt kan dukke opp.

Periodetabellen og atomer er kjent for de fleste, men for å forstå LHC forsøkene, trengs det utvidet kunnskap om hvordan protoner og nøytroner er bygd opp. Lenge mente man at protoner og nøytroner var elementærpartikler, altså de aller minste byggeklossene. Men i 1963 fastlo Murray Gell-Mann at de besto av enda mindre partikler, kvarker. Standarmodellen er en teori som beskriver fargekraft, svak kjernekraft, elektromagnetisme og elementærpartiklene. Modellen er utviklet og forskningsmessig underbygget gjennom mange år. Den inneholder lover for hvordan partiklene og kreftene oppfører seg, reagerer med hverandre og utvikler seg. Teorien forklarer hvordan partikler kan skapes og ødelegges, og hvordan de kan bli til andre typer partikler ved kollisjoner.

Det finnes seks forskjellige kvarker med forskjellig masse og ladning, de forekommer aldri alene, men sammen i grupper bygger de opp materien verden består av. Partiklene bindes sammen til hadroner ved hjelp av gluoner (av glue).

Nøytronet, som har nøytral ladning består av en positiv opp-kvark og to negative ned-kvarker, protonet, som er positivt har to opp-kvarker og en ned-kvark.

Elektronet derimot er ikke bygget opp av kvarker, og er derfor en elementærpartikkel i seg selv. Hadron er betegnelsen på partikler som er bygget opp av kvarker. Nøytroner og protoner er derfor slike partikler.

Når man krasjer hadroner med så høy energi at de tvinges til å dele seg opp, kan man se hvilke partikler de er bygd opp av. Om partiklene kan danne nye sammensetninger, eller om de får andre egenskaper. Det som oppstår i restene etter hadronene kan bekrefte det vi mener å vite, gi nye kunnskaper, eller velte etablerte teorier.

Higgspartikkel er en elementærpartikkel, oppkalt etter Peter Higgs. Selv om den er en viktig del av standardmodellen er den helt hypotetisk. Vi vet ikke sikkert om den eksisterer.

Standardmodellen har hittil stemt med alle forsøk, likevel er det løse tråder. I følge modellen skal ikke partikler ha noen masse, likevel vet vi at de har det.  For at modellen skal gå opp må det finnes et felt, bestående av en gravitasjon, som sørger for at massen i planeter, stjerner og atomer holdes sammen. Dette feltet antas å bestå av den mystiske partiklen, og at det brer seg gjennom universet.

Higgsteorien går ut på at det antatte magnetfeltet sørger for at partiklene får massen de i utgangspunktet ikke har. Dessuten holder det massen på plass, slik tyngdekraften holder alt til jorda.

Higgspartiklen har blitt jaktet på i 40 år, uten at noen har funnet den. Gjennom forsøk med partikkelakseleratorer har forskerene prøvd å finne partiklen i restene fra hadronkollisjoner. Dette har imidlertid bare vist at det trengs høyere energi og større fart for å lage den. LHC skal i teorien ha nok energi til å gjenskape sekundene etter Big Bang, der higgspartiklen må ha oppstått.

Big Bang teorien er anerkjent av de fleste, og relativt godt dokumentert.  For ca. 13,7 milliarder år siden løsrev naturkreftene gravitasjon, elektromagnetisme og atomkrefter seg fra hverandre. Dette førte til at universet utvidet seg med en enorm hastighet, og temperaturen steg kraftig. Trykket og varmen førte til smellet vi har kalt Big Bang. Fra eksplosjonen ble det kastet ut en masse fotoner som etter hvert dannet protoner, nøytroner og elektroner.

Etter ca. 300 000 år fusjonerte elektronene og kjernene til atomer, og de første grunnstoffene oppsto. Deretter har universet hele tiden utvidet seg.

Når LHC krasjer hadroner skjer noe av det samme, de splittes opp til elementærpartikler, som kan settes sammen og danne nye stoffer og andre partikler.

Antimaterie og sorte hull er noe av det forskerene vet minst om. Da universet oppsto var det like mengder antimaterie og materie i universet, og ingenting tilsier at det skal være mer av materien. Likevel er det det i dag.

Antimaterie er kort sagt det motsatte av materie og atomer har tilsvarende speilbilder. Antiatomene er som stoffenes negativer, de er motsatt. De har altså negativ kjerne og positive elektroner. Hva slags egenskaper antimaterien har er usikkert, men det forskes på om den kan ha en motsatt tyngdekraft. Det vil i såfall være med å forklare utvidelsen av universet og egenskapene til Higgsfeltet.

Sorte hull er et av resultatene av stjerner som dør i en supernova. Restene etter stjernen presses sammen til de får en ekstrem massetetthet og en så kraftig gravitasjon at alt i nærheten dras til det sorte hullet. Massen vil bli større etter hvert som hullet suger til seg alt rundt. Fordi gravitasjonen er så kraftig trekker sorte hull til seg både lys og tid, derfor er det nærmest umulig for oss å se hva som skjer rundt kjernen.

Gravitasjonen har imidlertid ikke ubegrenset rekkevidde, bare objekter som kommer innenfor en viss avstand fanges opp og kraften er ikke like sterk ytterst som innerst.

Masse som trekkes mot et sort hull vil kretse rundt kjernen som en virvelvind, før det fanges innenfor hendelseshorisonten. I denne malstrømmen blir energien høy og varmen stiger. Når gass varmes opp kan den lage kraftig lys, og det har blitt observert røntgenstråling, radiostråling og lys fra slike prosesser. Forskerene har kalt denne strålingen jetstråling.

Fordi sorte hull oppstår når partikler trykkes sammen av kraftig trykk bør det potensielt være mulig å lage små sorte hull med LHC. I 2008 var en del forskere skeptiske til oppstarten av akseleratoren. De mente maskinen ville lage sorte hull som kunne vokse seg kraftige nok til å sluke jorda. Bekymringen ble imidlertid ikke tatt hensyn til og komiteen for partikkelfysikk fastslo at proskjektet var helt trygt.

Selv om det teoretisk er mulig å lage sorte hull med LHC vil de være så små at de er helt ufarlige. Derimot vil de kunne gi en unik kunnskap om det mystiske fenomenet.

Selv om LHC var klar til bruk i 2008 lar de store resultatene vente på seg. Like etter oppstarten oppsto en feil på maskinen som førte til en lengre stans. Selv om akseleratoren er oppe å går igjen er det uvisst hvor lang tid det vil ta før det kommer noe gjennombrudd, eller om det i det hele tatt kommer. Ikke alle partiklene kolliderer, og selv om de gjør det er sannsynligheten stor for at det ikke skjer noe banebrytende og nytt.

Materialet fra forsøkene skal dessuten vurderes, tolkes og kontrolleres før det evt. kan sies om det er av betydning.

Også bekreftelser på teorier vi “vet” er riktig, er verdifulle, og dersom LHC har potensiale til å gi revolusjonerende resultater, vil den nok gjøre det. Med tid og stunder.