År 2008 dragkedjade först en protonstråle runt Large Hadron Collider (LHC), världens mest kraftfulla partikelaccelerator. Nu, ett decennium senare, är det dags att ta reda på vad vi har lärt oss tack vare denna anläggning och vad som ligger framöver.
Denna redovisning inkluderar både framtida forskning som LHC kan bedriva och möjliga nya anläggningar som kan kollidera partiklar vid energier långt bortom vad LHC kan uppnå. Två, eller kanske tre, möjliga ersättare för LHC har föreslagits. Så låt oss granska var vi är och var vi har kommit under det senaste decenniet.
Berättelsen om LHC är både spännande och turbulent, med händelser som sträcker sig från katastrofala skador på instrumentets enorma magneter under de första dagarna av operationerna, till en Phoenix-liknande stigning från den tragedin, följt av solida och spännande upptäckter, inklusive upptäckten av Higgs boson. Denna upptäckt fick Peter Higgs och Francois Englert Nobelpriset, som de förutspådde partikeln för över ett halvt sekel sedan. Det är ovanligt att världen följer nyheter om partikelfysik, men tillkännagivandet av Higgs upptäckt ledde nyhetssändningar över hela världen.
Hitta ny fysik
Fysiker var också i utkanten av sina platser och väntade på vad de hoppades skulle vara oväntade upptäckter. Under nästan ett halvt sekel har forskare fått den aktuella teoretiska förståelsen för beteendet hos subatomär materia. Denna förståelse kallas standardmodellen för partikelfysik.
Modellen förklarar det observerade beteendet hos molekyler och atomer av vanlig materia och till och med de minsta kända byggstenar som någonsin har observerats. Dessa partiklar kallas kvarkar och leptoner, med kvarkar som finns i protonerna och neutronerna som utgör atomens kärna och med elektroner som den mest kända leptonen. Standardmodellen förklarar också beteendet hos alla de kända krafterna, utom gravitationen. Det är verkligen en extraordinär vetenskaplig prestation.
Standardmodellen förklarar dock inte allt i teoretisk fysik. Det förklarar inte varför kvarkarna och leptonerna verkar existera i tre distinkta men nästan identiska konfigurationer, kallade generationer. (Varför tre? Varför inte två? Eller fyra? Eller en? Eller 20?) Denna modell förklarar inte varför vårt universum är helt gjord av materia, när den enklaste förståelsen av Albert Einsteins relativitetsteori säger att universum också bör innehålla en lika stor mängd antimateria.
Standardmodellen förklarar inte varför studier av kosmos tyder på att den vanliga frågan om atomer utgör endast 5 procent av universums materia och energi. Resten anses bestå av mörk materia och mörk energi. Mörk materia är en form av materia som bara upplever gravitation och ingen av de andra grundläggande krafterna, medan mörk energi är en form av avvisande tyngd som genomsyrar kosmos.
Innan LHC: s första operationer hoppades fysiker som jag att atomspridaren skulle hjälpa oss att svara på dessa förbryllande frågor. Den mest citerade kandidatteorin för att förklara dessa pussel kallades supersymmetri. Det antyder att alla kända subatomära partiklar har "superpartner" motpartiklar. Dessa kan i sin tur ge en förklaring till mörk materia och svara på några andra frågor. Emellertid har fysiker inte observerat någon supersymmetri. Dessutom har LHC-data uteslutit de enklaste teorierna som innehåller supersymmetri. Så, vad har LHC åstadkommit?
LHC har gjort mycket
Tja, bortsett från hela Higgs boson-saken, har LHC matat data till sina fyra stora experimentella samarbeten, vilket resulterat i mer än 2 000 vetenskapliga artiklar. Inuti LHC har partiklar krossats i varandra vid energier som är 6,5 gånger högre än de som uppnåddes av Fermilab Tevatron, som innehöll titeln som världens mest kraftfulla partikelaccelerator under ett kvarts sekel, tills LHC tog den kronan.
Dessa tester av standardmodellen var mycket viktiga. Någon av dessa mätningar kunde ha varit oenig i förutsägelser, vilket skulle ha lett till en upptäckt. Det visar sig dock att Standardmodellen är en mycket bra teori, och den gjorde lika exakta förutsägelser vid LHC-kollisionenergier som för energinivåerna i den tidigare Tevatronen.
Så är detta ett problem? I en verklig mening är svaret nej. När allt handlar vetenskapen lika mycket om att testa och avvisa fel nya idéer som om att validera korrekta.
Å andra sidan är det inget som förnekar att forskare skulle ha varit mycket mer glada att hitta fenomen som inte tidigare förutspåddes. Upptäckter av den typen driver mänsklig kunskap och kulminerade med att skriva om läroböcker.
LHC-berättelsen är inte över
Så vad nu? Har LHC avslutat berätta sin berättelse? Knappast. Faktum är att forskare ser fram emot förbättringar av utrustningen som hjälper dem att studera frågor de inte kan ta itu med nuvarande teknik. LHC stängde i början av december 2018 för två år av renoveringar och uppgraderingar. När gaspedalen återupptar våren 2021 kommer den att återgå med en liten ökning av energi men fördubbla antalet kollisioner per sekund. Med hänsyn till framtida planerade uppgraderingar har LHC-forskare hittills bara registrerat 3 procent av de förväntade uppgifterna. Även om det kommer att ta många år att söka igenom alla resultat, är den nuvarande planen att spela in cirka 30 gånger mer data än hittills. Med så mycket mer information som kommer har LHC fortfarande mycket att berätta.
Ändå, medan LHC kommer att fungera i troligen ytterligare 20 år, är det helt rimligt att också fråga "Vad är nästa?" Partikelfysiker funderar på att bygga en uppföljande partikelaccelerator för att ersätta LHC. I enlighet med LHC-traditionen skulle en möjlighet kollidera protonerbjälkar tillsammans med förbluffande energier - 100 biljoner elektron volt (TeV), vilket är mycket större än LHC: s toppfunktion på 14 TeV. Men att uppnå dessa energier kommer att kräva två saker: För det första måste vi bygga magneter som är dubbelt så kraftfulla som de som skjuter partiklar runt LHC. Det anses vara utmanande men möjligt. För det andra kommer vi att behöva en annan tunnel, ungefär som LHC: erna, men väl över tre gånger större runt, med en bollparkomkrets på 100 mil, ungefär fyra gånger större än den för LHC.
Men var kommer denna stora tunnel byggas, och hur kommer den egentligen att se ut? Vilka balkar kommer att kollidera och vid vilken energi? Det är bra frågor. Vi är inte tillräckligt långt i design- och beslutsprocessen för att få svar, men det finns två mycket stora och genomförda fysikgrupper som tänker på frågorna, och de har vardera tagit fram ett förslag till en ny accelerator. Ett av förslagen, till stor del drivet av europeiska forskningsgrupper, föreställer sig att bygga en stor ytterligare accelerator, troligen belägen vid CERN-laboratoriet, strax utanför Genève.
Under en idé skulle en anläggning där kollidera en stråle av elektroner och antimateriell elektroner. På grund av skillnader mellan accelererande protoner jämfört med elektroner - en elektronstråle tappar mer energi runt den cirkulära strukturen än en protonstråle gör - skulle denna stråle använda den 61 mil långa tunnelen men fungera med lägre energi än om det vore protoner. Ett annat förslag skulle använda samma 61 mil långa accelerator för att kollidera protoner. Ett mer blygsamt förslag skulle återanvända den nuvarande LHC-tunneln men med kraftigare magneter. Det alternativet skulle bara fördubbla kollisionsenergin över vad LHC kan göra nu, men det är ett billigare alternativ. Ett annat förslag, till stor del förkämrat av kinesiska forskare, föreställer sig en helt ny anläggning, antagligen byggd i Kina. Denna accelerator skulle också vara cirka 61 mil runt, och den skulle kollidera elektron och antimaterielelektroner tillsammans innan den växlade till proton-protonkollisioner cirka 2040.
Dessa två potentiella projekt är fortfarande i pratsteg. Så småningom kommer forskarna som lägger fram dessa förslag att behöva hitta en regering eller grupp av regeringar som är villiga att betala räkningen. Men innan det kan hända måste forskarna bestämma kapacitet och teknik som krävs för att möjliggöra dessa nya anläggningar. Båda grupperna släppte nyligen omfattande och grundlig dokumentation om deras design. Det räcker inte för att bygga sina föreslagna anläggningar, men det är tillräckligt bra att både jämföra de framtida laboratoriernas förväntade prestationer och börja sätta ihop pålitliga kostnadsförutsägelser.
Att undersöka kunskapens gräns är en svår strävan, och det kan ta många decennier från de första drömmarna om att bygga en anläggning av denna storlek, genom operationer till anläggningens avstängning. När vi markerar 10-årsjubileum för den första strålen i LHC, är det värt att ta reda på vad anläggningen åstadkommit och vad framtiden kommer att ge. Det ser ut som om det kommer att finnas spännande data för nästa generation av forskare att studera. Och kanske, bara kanske, kommer vi att lära oss några fler av naturens fascinerande hemligheter.
Don Lincoln är en fysikforskare på Fermilab. Han är författaren till "The Large Hadron Collider: The Extraordinary Story of Higgs Boson and Other Stuff That Will Blow Your Mind"(Johns Hopkins University Press, 2014), och han producerar en serie vetenskaplig utbildning videoklipp. Följ honom på Facebook. De åsikter som uttrycks i denna kommentar är hans.
Don Lincoln bidrog med denna artikel till Live Science Expertröster: Op-Ed & Insights.
