Hur kan forskare återskapa förhållanden som liknar universums första ögonblick i ett laboratorium? Svaret finns i CERN:s partikelacceleratorer, där protoner och atomkärnor förs upp i enorma energier och krockar i noggrant kontrollerade experiment. Här förklarar jag hur anläggningen fungerar, vad de olika acceleratorerna används till och vad som händer med LHC under 2026.
Det här behöver du veta om CERN:s acceleratorer
- LHC är 27 kilometer lång och ligger omkring 100 meter under marken vid gränsen mellan Schweiz och Frankrike.
- Protonerna accelereras i flera steg genom CERN:s acceleratoranläggning innan de når LHC.
- Fyra stora experiment, ATLAS, CMS, ALICE och LHCb, analyserar olika typer av kollisioner.
- LHC arbetar inte bara med protoner utan även med tunga joner, till exempel blyjoner.
- År 2026 pågår Long Shutdown 3, en omfattande uppgradering inför High-Luminosity LHC som planeras börja användas omkring 2030.
Vad CERN:s partikelaccelerator egentligen är
När man talar om partikelacceleratorn vid CERN menar man ofta Large Hadron Collider, LHC. Det är världens största och mest kraftfulla kolliderare, men den fungerar inte ensam. LHC är den sista länken i en kedja av acceleratorer som stegvis ökar partiklarnas energi.
En partikelaccelerator använder elektriska fält för att ge laddade partiklar mer energi. Magneter styr sedan strålen och håller den på rätt bana. I LHC färdas två strålar i motsatta riktningar i separata vakuumrör, tills de leds ihop vid särskilda kollisionspunkter.
Det är viktigt att skilja mellan energi och antal kollisioner. Hög energi gör det möjligt att skapa tunga eller sällsynta partiklar. Hög kollisionsfrekvens ger i stället forskarna fler chanser att upptäcka mycket ovanliga processer. Jag tycker att just den skillnaden ofta försvinner när LHC beskrivs som ”världens största maskin”.
LHC:s tunnel är cirka 27 kilometer lång och ligger ungefär 100 meter under marken. De laddade partiklarna rör sig nästan lika snabbt som ljuset och cirkulerar runt ringen mer än 11 000 gånger per sekund. De supraledande magneterna kyls till omkring 1,9 kelvin, vilket motsvarar ungefär minus 271,3 grader Celsius.
Så färdas protonerna genom CERN:s acceleratoranläggning
Protonerna börjar inte sin resa i LHC. De skapas ur väte och förs genom flera maskiner där varje steg förbereder strålen för nästa. Det är mer träffsäkert att tala om ett helt acceleratorsystem än om en enda partikelaccelerator.
| Anläggning | Huvuduppgift | Varför den behövs |
|---|---|---|
| Linac4 | Den första linjära acceleratorn | Ger protonerna deras första stora energitillskott. |
| PS Booster | Samlar och accelererar protonerna | Förbereder partiklarna för Proton Synchrotron. |
| Proton Synchrotron | Ökar partiklarnas energi ytterligare | Levererar strålar både till andra experiment och till SPS. |
| Super Proton Synchrotron | Accelererar protoner och joner till hög energi | Fungerar som sista injektionssteg före LHC. |
| LHC | Låter två strålar kollidera | Skapar energirika kollisioner för precisionstester av partikelfysikens teorier. |
I LHC kan protonstrålarna nå ungefär 6,8 teraelektronvolt per stråle, vilket ger en total kollisionsenergi på omkring 13,6 teraelektronvolt i protonprotonkollisioner. En teraelektronvolt är en energienhet som används för mycket små partiklar. Talet låter abstrakt, men den verkliga poängen är att energin koncentreras i en extremt liten volym.
CERN accelererar också joner, alltså atomkärnor som har förlorat sina elektroner. Blyjoner används exempelvis för att studera kvark-gluonplasma, ett tillstånd av materia som tros ha funnits strax efter Big Bang. Här blir kopplingen till kosmologi tydlig: experimenten återskapar inte universum i sin helhet, men de kan återskapa vissa av dess mest extrema mikroskopiska förhållanden.
Vad kollisionerna kan avslöja om universum
Detektorerna runt kollisionspunkterna fungerar som avancerade kameror för partikelfysik. De registrerar spår, energi och rörelsemängd hos partiklarna som bildas när protoner eller joner kolliderar. Forskarna bygger sedan upp händelsen igen med hjälp av enorma mängder mätdata.
ATLAS och CMS testar fysikens grundmodell
ATLAS och CMS är de två stora allmänna experimenten vid LHC. De undersöker bland annat Higgsbosonen, sällsynta sönderfall och möjliga tecken på nya partiklar. Higgsbosonen upptäcktes 2012, men upptäckten var inte slutpunkten. Den stora frågan är hur väl partikeln passar in i standardmodellen och om den kan avslöja fysik som modellen inte förklarar.
Jag ser sökandet efter mörk materia som ett bra exempel på vad LHC kan och inte kan göra. Acceleratorn kan skapa nya partiklar om de är tillräckligt lätta och kopplade till kända partiklar, men den kan inte garantera att mörk materia produceras. Ett uteblivet fynd är därför också ett resultat, eftersom det begränsar vilka teorier som fortfarande är möjliga.
ALICE undersöker materiens tidiga tillstånd
ALICE är särskilt utformat för kollisioner mellan tunga joner. Målet är att studera kvark-gluonplasma, där kvarkar och gluoner inte längre är bundna i protoner och neutroner. Genom att analysera hur detta tillstånd bildas och svalnar får forskarna ledtrådar om den materia som fyllde det unga universum.
Läs också: Vårt matematiska universum - Är verkligheten en formel?
LHCb följer antimateria och symmetribrott
LHCb fokuserar på partiklar som innehåller så kallade b-kvarkar. Experimentet undersöker bland annat varför universum består av mycket mer materia än antimateria. Den skillnaden är avgörande, eftersom ett helt symmetriskt universum sannolikt inte skulle ha lämnat kvar de galaxer, stjärnor och planeter som vi ser i dag.
Varför LHC inte är CERN:s enda viktiga accelerator
Det är lätt att tro att all forskning vid CERN sker i den 27 kilometer långa LHC-ringen. I verkligheten används flera anläggningar för olika frågor. Vissa skickar strålar till LHC, medan andra producerar antimateria, radioaktiva isotoper eller partiklar för experiment med fasta mål.
- Antiproton Decelerator och ELENA bromsar antiprotoner så att forskare kan studera antimateria mer noggrant.
- ISOLDE använder protonstrålar för att skapa och undersöka ovanliga radioaktiva isotoper.
- North Area tar emot strålar från SPS för experiment där partiklar träffar ett fast material i stället för en annan cirkulerande stråle.
- AWAKE undersöker plasma-wakefield-acceleration, en teknik som på sikt kan ge mycket kortare acceleratorer.
Skillnaden mellan kolliderare och fasta målexperiment är särskilt viktig. I en kolliderare koncentreras energin i mötet mellan två strålar. I ett fast mål träffar strålen ett material, vilket ger andra typer av partiklar och andra möjligheter att mäta deras egenskaper.
För den som vill förstå CERN:s vetenskapliga bredd är det därför klokt att inte bara tänka på Higgsbosonen. Anläggningen används också för kärnfysik, antimateria, medicinska isotoper och acceleratorutveckling. LHC är den mest spektakulära delen, men inte hela forskningsprogrammet.
Vad händer med CERN:s acceleratorer under 2026
År 2026 befinner sig CERN i en övergång mellan två stora driftsperioder. LHC:s fysikprogram avslutades i juni, och den 29 juni började den långa tekniska pausen Long Shutdown 3, LS3. CERN:s övriga injektorer fortsatte att leverera strålar under sommaren innan även de stängdes för uppgraderingar i slutet av augusti.
Under LS3 byggs LHC om till High-Luminosity LHC, ofta kallad HL-LHC eller HiLumi LHC. Målet är framför allt att öka luminositeten, alltså mängden användbara kollisioner. När anläggningen startar igen omkring 2030 ska experimenten kunna samla in ungefär fem gånger fler kollisioner än tidigare.
Uppgraderingen handlar inte bara om att byta ut enskilda delar. Nya fokuseringsmagneter, så kallade crab cavities och förstärkta skyddssystem ska installeras. Detektorerna ATLAS och CMS moderniseras också eftersom de måste kunna hantera en mycket större datamängd.
Den långa pausen kan verka som ett avbrott, men i praktiken är den en förutsättning för nästa forskningsfas. Supraledande magneter, kryogenik och strålskydd kräver omfattande underhåll. Jag tycker därför att det är mer rättvist att se LS3 som en del av acceleratorns livscykel än som ett tecken på att maskinen har stannat.
Så ska man tolka stora upptäckter från CERN
En vanlig missuppfattning är att varje kollision ska avslöja en ny partikel. Så fungerar inte modern partikelfysik. De flesta kollisioner ger redan kända processer, och forskarna letar efter små statistiska avvikelser som upprepas tillräckligt ofta för att kunna skiljas från slumpmässiga variationer.
Det krävs också mer än en intressant signal. Resultatet måste granskas av flera analysgrupper, jämföras med oberoende mätningar och uppnå en mycket hög statistisk säkerhet. Därför tar viktiga upptäckter ofta år, även när de första lovande datamönstren syns tidigt.
För mig är detta en av de mest fascinerande delarna av CERN:s arbete. Acceleratorerna producerar inte färdiga svar. De skapar en miljö där teorier kan testas mot naturen, och ibland visar naturen att våra bästa modeller fortfarande är ofullständiga.
Från 27 kilometer tunnel till större frågor om kosmos
CERN:s acceleratoranläggning är i grunden ett verktyg för att förstå materiens minsta byggstenar. Men resultaten pekar hela tiden mot större frågor om universums början, mörk materia, antimateria och fysikens gränser.
LHC är inte en tidsmaskin och den återskapar inte Big Bang. Däremot kan den återskapa vissa energirika mikrotillstånd som hjälper oss att förstå hur materia beter sig under förhållanden som inte finns naturligt på jorden. Det är den mest användbara bilden att bära med sig när man vill förstå varför CERN spelar en så central roll i både fysik och kosmologi.
När HL-LHC så småningom tar över blir den viktigaste förändringen inte nödvändigtvis en dramatisk ökning av partiklarnas energi. Den stora vinsten blir fler och bättre mätningar. I jakten på universums dolda struktur är det ofta just den uthålligheten, snarare än en enskild spektakulär kollision, som gör den verkliga skillnaden.
