Large Hadron Collider (LHC) vid CERN är den mest kraftfulla partikelacceleratorn i världen. Under sina tio år av verksamhet har det lett till anmärkningsvärda upptäckter, inklusive den länge eftertraktade Higgs-bosonen. Den 15 januari, ett internationellt team av fysiker presenterade konceptdesignen för en ny partikelaccelerator som skulle dvärga LHC.

"Future Circular Collider" är tänkt som en efterträdare till LHC, och – om det ges grönt ljus – skulle det tillåta fysiker att söka svar på några av fysikens största mysterier. Detta inkluderar att ta reda på vad den stora majoriteten av universum faktiskt består av eller att upptäcka helt ny fysik.

Förslaget planerar en ny 100 km omkretstunnel som skulle borras genom jorden, omringar staden Genève och den omgivande landsbygden. Den 27 km långa LHC skulle mata in partiklar i den nya kollideraren – som en motorvägsslip. Detta skulle i slutändan göra det möjligt för den att kollidera med partiklar med energier som är cirka sju gånger högre än vad LHC kan hantera. Detta skulle låta den här kollideraren skapa partiklar som ligger utom räckhåll för LHC – vilket driver partikelfysiken djupt in i ett outforskat mikroskopiskt område.

Portal till en mörk värld

The Future Circular Collider är egentligen flera projekt i ett. Den första fasen föreställer sig en maskin som kolliderar elektroner med deras så kallade "antimateriaversioner, "positroner. Alla partiklar tros ha en antimateriakompanjon, praktiskt taget identisk med sig själv men med motsatt laddning. När en materia och en antimateria partikel möts, de förintar varandra fullständigt, med all sin energi omvandlad till nya partiklar.

Kollisionsenergin för en sådan kolliderare skulle kunna kontrolleras mycket exakt. Också, kollisioner skulle vara mycket "rena" jämfört med LHC, som kolliderar med protoner (partiklar som utgör atomkärnan tillsammans med neutroner). Protoner är inte fundamentala partiklar som elektroner, men slumpartade påsar med mindre partiklar inklusive kvarkar och gluoner. När protoner kolliderar, deras inälvor sprayas överallt, vilket gör det mycket svårare att upptäcka nya partiklar bland skräpet.

Det primära målet för elektron-positronkollideren skulle vara att studera Higgs boson, partikeln som är inblandad i ursprunget till massorna av de andra fundamentala partiklarna. Den nya kollideraren skulle skapa miljontals Higgs-bosoner och mäta deras egenskaper i oöverträffad detalj.

Sådana precisionsmätningar erbjuder många möjligheter till nya upptäckter. En av de mest lockande är att Higgs kunde fungera som portal som förbinder världen av vanlig atomär materia som vi bebor, med en dold värld av partiklar som annars inte går att upptäcka. Cirka 85 % av all materia i universum i universum är "mörk, " består av partiklar som vi aldrig har kunnat se. Vi vet bara att den existerar på grund av gravitationskraften den har på omgivande materia. Spännande nog, en elektron-positronkolliderare kan avslöja Higgs-bosonen som sönderfaller till dessa dolda partiklar.

I den andra fasen, kollideraren skulle ersättas av en mycket kraftfullare proton-protonkolliderare – nå kollisionsenergier på 100 biljoner elektronvolt. Detta skulle vara en upptäcktsmaskin, kapabla att skapa ett stort antal nya partiklar som fysiker misstänker kan ligga utom räckhåll för LHC.

Särskilt, det skulle nästan helt utforska energiområdet där de flesta former av mörk materia sannolikt finns. Den skulle också kunna undersöka de förhållanden som fanns en biljondels sekund efter Big Bang. Detta ögonblick i universums historia är avgörande eftersom det är när Higgsfältet – ett alltigenomträngande energifält som Higgsbosonen är en liten krusning i – kollapsade till sitt nuvarande tillstånd, vilket är vad som genererade massorna av de fundamentala partiklarna.

Att förstå hur Higgsfältet fick sin nuvarande energi är ett av de största problemen inom fysiken, eftersom det verkar vara otroligt finjusterat för att tillåta atomer – och därför stjärnor, planeter och människor – att existera.

Som fysiker som arbetar med LHC-skönhetsexperimentet, Jag hoppas personligen att den här nya kollideraren så småningom också kan hjälpa oss att lösa gåtan om varför universum nästan helt består av materia och inte antimateria.

Rejäl prislapp

Den första fasen av den nya kollideraren skulle komma online på 2040-talet, efter den sista körningen av den uppgraderade LHC. Den kraftfullare proton-protonkollideren skulle installeras på 2050-talet. Båda projekten kommer med en rejäl prislapp:9 miljarder euro för elektron-positronmaskinen och ytterligare 15 miljarder euro för proton-protonkollideren. Detta har väckt förståelig kritik om att pengarna skulle kunna användas bättre någon annanstans, till exempel för att hantera klimatförändringar.

John Womersley, en senior fysiker involverad i Future Circle Collider, berättade för mig att bortom värdet av grundläggande kunskap i sin egen rätt, det kommer att finnas andra betydande kortsiktiga fördelar. Han sa:"FCC kommer att driva utvecklingen av innovativ teknik för att lösa nya utmaningar. World Wide Web, Wi-Fi och supraledande magneter i MRI-maskiner utvecklades alla för att möta behoven hos grundläggande fysik." Projektet har också enorm kraft att inspirera nästa generation av fysiker.

I sista hand, ett sådant ambitiöst system kommer endast att vara möjligt genom ett stort internationellt samarbete, med finansiering från dussintals länder. Projektet omfattar redan 1, 300 bidragsgivare från 150 universitet, forskningsinstitut och industriella partners runt om i världen. Under tiden, ett liknande kolliderarprojekt övervägs också av Kina, kanske det enda landet som kan mobilisera de resurser som krävs för att bygga en så stor maskin på egen hand.

Förespråkarna för Future Circular Collider hoppas att projektet kommer att antas i den nya europeiska strategin för partikelfysik, ska publiceras 2020. Om det accepteras, det kommer att inleda en lång process av forskning och utveckling, men också att övertyga nationella regeringar och allmänheten om att den spännande grundforskning som skulle kunna utföras vid kollideraren är värd att investera i.

De politiska utmaningarna är utan tvekan enorma, men fysiker är fast beslutna att inte ge upp strävan efter en djupare förståelse av vårt universum.

Den här artikeln är återpublicerad från The Conversation under en Creative Commons-licens. Läs originalartikeln.