De har den aller største maskina. Nå vil de bygge en som er fire ganger større. Bli med under bakken i Cern.

Genève (Khrono): — Det er litt som forskjellen mellom en slegge og en liten geologhammer, sier Anders Kvellestad og holder pusten et øyeblikk.

— Med en slegge får du stor kraft, men du mister presisjonen.

Det er tirsdag formiddag, et sted på grensen mellom Sveits og Frankrike, like utenfor Genève. På en bedre dag kunne vi ha sett Mont Blanc reise seg i horisonten, i dag må vi nøye oss med å se tung regnskyer over Jurafjellene .

Kvellestad er postdoc i teoretisk fysikk ved Universitetet i Oslo. Denne dagen er partikkelfysikeren på plass ved Cern. Et sted svøpt inn i mystikk. Et nærmest hellig sted for mange som er opptatt av partikkelfysikk, slik professor Are Raklev skal formulere det når vi snakker om framtida for Cern over en øl på en lokal pub senere samme kveld.

— Det er vår St. Peterskatedral for fundamentafysikk, sier professoren.

Raklev er en av flere tusen fysikere tilknyttet Cern. I likhet med Kvellestad er han teoretiker, med såkalt supersymmetri, som sitt spesialfelt. Eller «Susy», blant venner.

Fra WWW til LHC

Det er ikke uten grunn fysikerne bruker store ord om Cern. Stedet har hatt en spesiell posisjon helt siden det ble etablert i 1954. Siden da har det brøytet vei ikke bare i fysikken, men også teknologisk.

Det var ved Cern det vi kjenner som World Wide Web ble utviklet, og det var her den første hjemmesiden ble lagt ut på starten av nittitallet.

Norge er et av 23 medlemsland i Cern, og betaler hvert år et sted over 200 millioner kroner inn til budsjettet. Det jobber noen titalls nordmenn her, noen av dem fast ansatt, resten er studenter og tilreisende forskere fra norske universiteter.

Posisjonen blir ikke mindre av at verdens største partikkelakselerator startet opp ved Cern tilbake i 2010, etter at den sto ferdig to år før. Large Hadron Collider (LHC). En av verdens mest avanserte maskiner. Episenter for partikkelfysisk forskning ikke bare i Europa. Bygd for å studere de minste byggesteinene universet består av.

Ni år senere har fysikerne blikket rettet mot tida etter LHC, mot arvtakeren, neste generasjon partikkelakselerator. Et alternativ er å bygge en ny sirkulær akselerator ved Cern, som er 100 kilometer lang, nesten fire ganger så mye som LHC. En framtidig gigant ved navn Future Circular Collider (FCC). I tillegg jobbes det med en lineær versjon, Compact Linear Collider (CLIC).

Og det er her Kvellestads slegge og geologhammer kommer inn. Ulike teknologier har ulike funksjoner, det er ulike verktøyer, som en slegge og en geologhammer, om du vil. Sleggen er i dette tilfellet proton-proton-kollisjoner, mens geologhammeren er elektron-positron-kollisjoner. Det er kraft mot presisjon.

Spørsmålet er hva skal man velge? Hva trengs mest? Og er de teknisk i rute?

Valget skal etter planen tas neste år.

Men dette er ikke bare et spørsmål om selve forskningen, det er også et politisk spørsmål. Det koster å bygge en tunnel på hundre kilometer. LHC kostet milliarder. Det samme vil en ny akselerator, til sammen snakker vi om flere titalls milliarder, sivilingeniørarbeidet ved bygging av tunnelen alene er anslått av Cern til fem milliarder euro. Den totale summen for FCC kan komme opp i over 20 milliarder euro, eller rundt 200 milliarder norske kroner. Finnes det politisk vilje til å finansiere både en ny og større sirkulær akselerator og en lineær?

Vi skal la spørsmålene ligge litt, og reise ned under bakken utenfor Genève. Til en tunnel de færreste får komme ned i. Om Cern er St. Peterskatedralen, må dette være Det sixtinske kapell. Å ta heisen ned hit kan få et fysikerhjerte til å banke litt raskere.

De forløsende ordene

LHC ligger nær hundre meter under bakken, i en 27 kilometer lang tunnel som strekker seg over grensa mellom de to landene. Gjennom to rør gjort tommere og kaldere enn det ytre rom, akselereres protoner oppunder lysets hastighet. Ved hjelp av magneter sendes stråler med partikler i hver sin retning, de ledes inn for å kollidere i fire enorme detektorer. I den andre enden står flere tusen forskere klare for å tolke resultatene.

I kollisjonene dannes nye partikler. Og det er dem fysikerne er på jakt etter.

De første årene etter åpningen av LHC handlet det meste om å finne det såkalte Higgs-bosonet. Eller «gudepartikkelen», som den ble døpt av mediene, til blandet fornøyelse blant fysikerne. En julidag i 2012 var de i mål. Foran et fullsatt auditorium ved Cern kunne daværende generaldirektør Rolf-Dieter Heuer si de forløsende ordene:

— Jeg tror vi har den.

De hadde den. Verdens øyne var rettet mot Cern. Og en partikkel det ikke er mulig å se. Det ble sammenlignet med månelandingen. Fysikere gråt på direktesendt TV. Det var egentlig ikke så underlig. For det første er det ikke så ofte at det oppdages nye partikler, det var riktignok en periode på 50- og 60-tallet da det ble gjort stadig nye funn, men siden dette «gullrushet» har det vært en sjeldenhet.

Det var likevel noe særegent med Higgs. Uten den ville ingen elementærpartikler hatt masse, vi ville ikke hatt det universet vi har i dag. Med funnet av Higgs falt ting på plass. Det bekreftet den såkalte standardmodellen, det teoretiske rammeverket for forståelsen av naturen. Det var gode grunner til at tusenvis av forskere jaktet på den i årevis.

Cern etter LHC

Så hva nå? Etter funnet av Higgs? Hva er framtida for Cern, partikkelfysikken og LHC? Standardmodellen forteller ikke alt, den beskriver bare fire-fem prosent av det som er rundt oss. Fysikerne har nå blikket rettet ikke bare mot Higgs, men også mot andre oppdagelser de håper vi kan stå overfor. Oppdagelser som kan gi oss en dypere forståelse av universet.

Noen måneder etter at Heuer annonserte funnet av Higgs ble LHC stengt for oppjustering. Fram til da hadde ikke akseleratoren kjørt for full maskin. Nå skulle det kjøres for fullt. Energien skulle nesten dobles.

Med økt energi skulle dørene åpnes til en ny verden av tyngre, og muligens mer eksotiske, partikler.

Den gang pekte mange fysikere på mørk materie. Standardmodellen forklarer som sagt bare en liten del av det som er rundt oss, resten er mørk materie og mørk energi.

— Gi oss to tre år, sa forskningsdirektør Sergio Bertolucci på spørsmål fra undertegnede under et besøk den gang.

Når vi seks år senere tar heisen ned til tunnelen der LHC strekker seg i en sirkel gjennom landskapet, er akseleratoren stengt for en ny oppjustering. Det er nødvendig av flere grunner, maskinene utsettes for ganske kraftig stråling når de står og går, både akseleratoren og detektorene må stenges med jevne mellomrom.

De har fortsatt ikke funnet mørk materie, og selv om håpet fortsatt er der, er stemmene litt mindre selvsikre.

— Jeg ville nok ikke ha sagt det, sier Kvellestad med henvisning til Bertoluccis uttalelse fra 2013, før han fortsetter:

— Man hadde høye forhåpninger. Hver gang du skrur opp energien får du tilgang på en en del av naturen du ikke har hatt tilgang på før. Det er noe nytt. Så har man en rekke teorier som sier at rundt disse energiskalaene er det god grunn til å tro at man kan oppdage for eksempel mørk materie-partikkelen. Men vi kunne ikke være sikre. Ok, det var nesten en dobling av energien, men fra et teoretikerperspektiv er ikke det nødvendigvis så mye, selv om det fra et ingeniørperspektiv er en enorm prestasjon.

Vil samle mer data

Denne gangen handler det ikke om å skru opp energien, det handler om å samle inn mer data. Det handler om langt mer enn mørk materie, men jakten er ikke over. Det er fortsatt mange som er opptatt av det, understreker Alex Read, professor ved Universitetet i Oslo, overfor Khrono.

Read spilte en sentral rolle i jakten på Higgs, og var med på oppdagelsen av partikkelen. Arbeidet med Higgs er ikke over, det er fortsatt mye de ikke vet om partikkelen.

Nå har likevel Read håp om at de skal kunne se indikasjoner av mørk materie.

— Det hadde vært veldig kult om Cern fant mørk materie, sier han.

— Det var mange som trodde en skulle finne mørk materie ved forrige oppjustering. Hvorfor er det mer sannsynlig nå?

— Vi produserer mye mer data, så vi har mye mer statistisk grunnlag for å se etter små eller sjeldne prosesser som kollisjon av mørk materie. Det er en ganske sjelden prosess om det skjer, så vi må ha mye data for å se tegn på det, sier Read.

Hvor sannsynlig det er at de kan finne noe nytt er ifølge Kvellestad «et teoriavhengig spørsmål».

— Spørsmålet har ikke noe godt svar med mindre du på en måte antar en teori, om du gjør det kan du regne ut sannsynligheten for at du finner noe. Så svaret avhenger av hvilken av disse nye teoriene du har mest tro på, sier han.

Selv studerer Kvellestad supersymmetri. Litt forenklet sier teorien at alle elementærpartikler har en «superpartner». Teorien sies å ha gode kandidater til mørk materie og forklaringen på hva det er. Den er aldri bekreftet. Fysikerne mener det kan være fordi de er tyngre enn partnerne sine, og at de krever høyere energi for å oppdages.

Slik griper det inn i debatten om arvtakeren etter LHC.

Big in Japan

— Det er egentlig ganske mange forslag på tegnebrettet, så mange at det er litt hardt å holde dem fra hverandre, sier Raklev og parkerer ølglasset ned på bordet.

Verden er tross alt større enn Cern. Det er ikke bare her planene legges for nye og større akseleratorer.

— Noe av det heiteste har ganske lenge vært International Linear Collider (ILC), sier Raklev. Det har vært foreslått å legge det til både Cern og til Fermilab i USA, men planene har vært å legge det utenfor Tokyo, i Japan.

— Men så har det kommet signaler fra Japan om de ikke vil satse på det enda. Japanerne er litt politisk unnvikende, de sier ikke nei, men utsetter beslutningen. Det er et ganske opplagt alternativ at vi før eller senere må bygge et stort lineært akseleratoranlegg ett eller annet sted. To av de tre mest lovende nye teknologiene for å øke energien er lineærteknologier. Men de er fortsatt bare på prøve og eksperimenteringsstadiet, sier han.

Om ILC droppes vil det ikke være første gang en akselerator skrinlegges. Raklev viser til da USA etterlot seg et hull i jorda i Texas, der det var planlagt en akselerator.

— Det skyldes hvordan forskning er finansiert i USA. Fra år til år. Her har medlemslandene undertegnet en traktat om å støtte Cern, de kan riktignok trekke seg, men det må skje på et års varsel. Det er dessuten forsøkt gjort, sist av Østerrike. Det man opplevde da var en enorm offentlig kritikk av den østerrikske regjeringa. Da folk fikk forklart hva regjeringa hadde tenkt å gjøre, svarte de at det var helt hull i hodet, og regjeringa måtte til slutt trekke det. Hvor ofte ser du det, at beslutninger om forskningsinvestering blir så sterkt kritisert offentlig at det må omgjøres?

Det sier noe om imaget til Cern, mener fysikeren.

Ting tar tid

Så, for oss vanlig dødelige, hva er forskjellen på en sirkulær og en lineær akselerator?

— Det er to veldig viktige fysiske forskjeller. I en lineærakselerator får du lov til å akselerere partiklene dine en eneste gang, for plutselig treffer de hverandre, du kan ikke gjøre noe mer med dem. I en sirkulær kan du sparke partiklene dine hver gang de kommer til det punktet der du står og sparker, det betyr at du kan akselerere dem over lang tid og øke energien gradvis.

Vi skal la detaljene ligge her. I en sirkulær betaler du noe, selv om du altså kan sparke i vei, du må blant annet få strålen din til faktisk å gå i sirkel, det krever sterke magneter. Tekniske begrensninger må veies opp mot hverandre, når du velger teknologi, understreker Raklev.

Det er uenighet om hva det skal satses på. Ved Cern jobber både fysikere, ingeniører, dataeksperter og studenter på spreng. Noen med å utvikle akseleratorteknologi, andre med å sørge for at det er kapasitet til å ta imot og behandle all den dataen som skal hentes inn både fra en oppjustert LHC og arvtakere.

Når vi snakker om data snakker vi om enorme mengder. Dataene skal ikke bare lagres, de skal omsettes til kunnskap. Ved datasenteret vi besøker på Cern lagres de og sendes til et nettverk av rundt 170 datasentre i mer enn 40 land. Selv har senteret rundt 15.000 servere og 260.000 prosessorkjerner, rundt 130.000 harddisker og 30.000 magnetbånd. Når de nå skal ta imot enda større mengder med data er det «en enorm utfordring», slik Nils Høimyr ved datasenteret formulerer det overfor Khrono.

Vi har besøkt både akselerator, detektorer, datasenter og ingeniører som jobber med å utvikle ny partikelteknologi.

Ting tar tid. De første tankene om LHC kom på åttitallet, men akseleratoren var i drift først fra 2010. LHC skal fortsette en god del år enda, og det ligger uansett et godt stykke fram i tid før en eventuell ny akselerator er på plass ved Cern.

Når det sier CLIC

Erik Adli, professorkollega av Read og Raklev ved UiO, viser til at de har jobbet med dette i årevis. Selv har han jobbet tett med CLIC, den lineære akseleratoren det jobbes med ved Cern.

— Vi er i rute til å bygge CLIC. Vi er ikke klare til å bygge den i dag, men om det bestemmes at det er CLIC vi skal bygge, da trenger vi noe sånt som fire-fem år på å gjøre det vi kaller det tekniske designet, sier Adli til Khrono.

Det tekniske designet, altså. Dette er bare en del av jobben, det skal også bygges. La oss si vi rydder til side både det pengemessige og politiske, hvor lang tid ville det ha tatt før en var ferdig med både CLIC og FCC, den planlagte sirkulære akseleratoren på hundre kilometer? CLIC kan de ha klart i starten av 2030, mener Adli.

— Så det vil være godt innenfor min forskningstid, sier han.

— Så hva med FCC?

— Det kommer an på om du vil gå rett på 100 TeV-kollisjoner med proton-proton.

Ok, la oss stanse litt. Energien i partikkelstrålen måles i terraelektronvolt (TeV). Da LHC startet opp var det med 8 TeV. Da de etter forrige oppjustering startet opp igjen i 2015 var det med 13 TeV. En ny sirkulær akselerator med en omkrets på hundre kilometer skal kunne kjøre med 100 TeV.

Vi snakker med andre ord om en enorm slegge.

Ut på førtitallet

Adli anslår at det trengs litt over ti år for å få på plass tunnelene. For å få på plass 100 TeV trengs supermagneter. Det kan ta et par tiår før den teknologien er på plass.

— Vi snakker derfor ikke om FCC før godt ut på førtitallet.

— Ser du for deg at en kan bygge begge, eller må man velge? Og her kommer både penger og politikk inn.

— Det er ikke realistisk at vi får penger til å bygge to store maskiner parallelt, sier Adli og legger til at fysikerne må diskutere hva som vil gi de beste resultatene på sikt. På sikt hadde det vært «fantastisk» om de fikk nok penger til å bygge FCC, mener han.

— Da kan vi komme et stort stykke videre. Men pengene må komme fra et sted, kanskje vi kan komme igang raskere om vi bygger en CLIC-maskin, for den kan vi i prinsippet bygge innenfor dagens budsjetter. Så det er kanskje en mer realistisk vei å gå, om vi ikke får økt bevilgning, sier Adli.

Vi får lignende svar fra andre fysikere.

— Jeg tror ikke vi har råd eller tid til å bygge begge samtidig. Begge er er veldig krevende prosjekter, både finansielt og ikke minst teknisk, sier Read.

Selv er han delt.

— Jeg er såpass gammel at jeg ikke kommer til å se konsekvensene av det valget vi tar neste år. Jeg tror vi vil lære nye ting med begge valg, men om vi lærer de like fort og på samme måte, det kan diskuteres. Uansett hva man velger tror jeg det blir en fin tid for Cern, med presisjonsmålinger og kanskje noen oppdagelser, sier Read.

Stipendiat og partikkelfysiker Eli Bæverfjord Rye ved UiO svarer slik:

— Ja takk, begge deler, de komplementerer hverandre, så vi trenger begge.

Men hva svarer hun om hun må velge en av dem?

— Jeg ville kanskje tatt FCC, sier hun.

Det handler om å lete etter ny fysikk, sier Rye og viser til at de sirkulære akseleratorene gjerne kalles oppdagelsescollidere, mens de lineære kalles presisjonscollidere.

— Jeg er først og fremst opptatt av å finne nye ting, sier hun. Rye peker på supersymetri som et mål for noe av det neste de skal finne ved Cern.

Ikke bare nye partikler

Det handler altså ikke bare om oppdagelser, noe også Kvellestad understreker.

— Vi har kanskje en uheldig tendens til bare fokusere på spørsmålet «har vi oppdaget en ny partikkel?». Det er selvsagt det som skaper mest blest, men den daglige produksjonen i denne forskningen er at du lærer ting med stadig større nøyaktighet. Ettersom maskinen går år etter år forstår vi mer og mer om hvordan higgsbosonet oppfører seg. Med en ny maskin vil vi lære mer om naturen, men vi har ingen garanti for at vi får en wow-oppdagelse av en helt ny partikkel.

Det er som om partikkelfysikken er tilbake på det naturlige stedet for grunnforskning, der du gjør eksperimenter er for å se hva som skjer, mener Kvellestad. Da LHC ble bygd var situasjonen en annen, sier han, da hadde de svært sterke argumenter hva hva de skulle finne, det var en slags garanti for å finne noe.

— Det er en veldig spesiell situasjon i grunnforskning som du ikke vanligvis har. Nå er vi på en måte tilbake i en standardmodus der det beste argumentet for å gjøre nye eksperimenter rett og slett er å må sjekke hva som skjer. Det er kanskje en mer eksperimentdrevet argumentasjon nå enn teoridrevet, sier Kvellestad.

Svaret er dels en kommentar til kritikk som er kommet mot å bygge en ny og større akselerator.

Skjønnhet og kritikk

Kritikken kommer blant annet fra den tyske fysikeren Sabine Hossenfelder. Da planene om FCC ble kjent skrev hun en kronikk i New York Times, der hun pekte på den høye prisen og slo fast at hun slett ikke var sikker på at er verdt det.

Hossenfelder har også skrevet en bok der hun blant annet mener at mange forskere nærmest er besatt av skjønnhet i teoriene.

I kronikken ber hun partikkelfysikerne ta et steg tilbake, nå som det ikke er eksperimenter ved LHC, for å tenke over tilstanden på feltet. Hun viser til løfter om oppdagelser som ikke er oppfylt. «Penger vil ikke løse problemet. Det vil heller ikke en større partikkelakselerator», konkluderer hun.

Kvellestad har fulgt kritikken.

— Det er absolutt noen poenger der. Den grunnleggende kritikken er at det sies at vi partikkelfysikere er blitt for opphengt i vakre teorier og det som omtales som naturlige teorier, og at vi har vært altfor selvsikre i prediksjonene våre. At vi har sett på disse teoriene og tenkt at de bare må stemme og så presentert det med for stor sikkerhet. Så får det faktisk forskningspolitiske følger, altså hvor bevilgningene går. I den kritikken tror jeg det er noen gode poenger, sier han.

Der stanser det.

— Det er noen poenger der som er teknisk feil, rett og slett. Det er noen misforståelser ute og går, legger han til.

Kvellestads kollega Raklev har også lest kronikken i New York Times.

— Det ar en relativt tullete kronikk, full av komplett misvisende ting. Jeg synes innholdet er veldig urimelig, det viser en person som har sin agenda.

— Men har ikke alle en agenda i denne diskusjonen?

— Jo, selvfølgelig. Men så blir det et spørsmål om hvem som har rett da.

— Mister kraft

Raklev avviser også at det er snakk om enorme summer.

— Fra motstandere presenteres ofte dette som at nå skal vi betale enorme summer for dette, mye mer enn det vi har gjort før, men det er faktisk ikke forslaget. Forslaget er å fortsette en satsing på partikkelfysikk på samme nivå som i dag. Kostnaden for disse akseleratorene blir spredt utover veldig lange tidsperioder

Det er selvsagt mulig å nedbemanne og gjøre Cern mindre, sier han.

— Det er et helt legitimt valg, sier han og viser til at Fermilab i USA ble nedbygd, og er mindre i dag enn den var før. Det er mulig å se for seg en slik fremtid for Cern, men Raklev mener man vil miste mye.

— For det første mister man mye av krafta til organisasjonen Cern, samarbeidet mellom folk fra 80 forskjellige land om fundamentalfysikk. Man ender litt som med månelandingen, man mister evnen til å gjøre det på nytt. De som jobber med akseleratorteknologien kommer til å gå rundt å ikke gjøre noe fram til pensjonsalderen, hvis man ikke får utviklet akselleratorer videre finnes det ikke noe arbeidsmarked for dem. De kommer til å forsvinne inn i andre jobber, og det kommer ikke til å utdannes noen flere av dem. Da sitter du plutselig ikke lenger med den kompetansen som skal til for å bygge en slik akselerator.

Det vil derfor være vanskeligere å starte opp igjen, dersom en vil det, mener han. Kompetansen forsvinner.

Det store mysteriet

Skal vi tro Raklev handler det store mysteriet fortsatt om Higgs.

— Fordi man fant higgsbosonet har man hatt et voldsomt fokus på å finne nye partikler, men det er egentlig ikke det essensielle vi trenger å gjøre nå, det store mysteriet i dag tilhører egenskapene til higgsbosonet. Dét er det store fysikkmysteriet. Det er noen viktige ting vi ikke vet med det, vi vet at det eksisterer, men det er noen problemer med det. Det kanskje viktigste er at vi ikke kjenner hvor sterkt det vekselvirker med de andre partiklene, og med seg selv. At vi ikke vet svaret på det gjør at vi ikke vet svaret på grunnleggende spørsmål som om universet er stabilt. Sånn som universet ser ut i dag, fra det vi vet med LHC, kan det være borte neste torsdag.

Historisk er ikke akseleratorer blitt bygd for å oppdage partikler, sier Raklev.

— Higgsbosonet var det første tilfellet, det var første og eneste gangen i partikkelfysikkhistorien at vi kunne si at hvis vi bygger denne akselleratorer, vil vi kunne oppdage higgsbosonet eller kunne si at det ikke finnes. Det er den eneste gangen det har skjedd, sier han og viser til LEP-akseleratoren, som forløperen til LHC, den tunnelen først ble bygd for. Den oppdaget ingen nye partikler, men gjorde presisjonsmålinger som ifølge professoren var grunnen til at en senere kunne si at en med sikkerhet ville oppdage Higgs eller kunne slå fast at partikkelen ikke eksisterte.

— Kanskje har vi gått i en pr-felle, sier han.

— LHC garanterte oppdagelsen av higgsbosonet, nå kan vi ikke garantere oppdagelsen av noe som helst.

Oppdatert søndag 09.00 med ytterligere informasjon om kostnader ved bygging av FCC.