Suuri hadronitörmäytin (Large Hadron Collider, LHC) on modernin hiukkasfysiikan ihme, jonka avulla tutkijat ovat voineet luodata todellisuuden syvyyksiä. Sen juuret ulottuvat aina vuoteen 1977 asti, jolloin Euroopan ydintutkimusjärjestön (CERN) entinen johtaja Sir John Adams ehdotti maanalaisen tunnelin rakentamista, johon mahtuisi hiukkaskiihdytin, joka pystyisi saavuttamaan poikkeuksellisen korkeita energioita, kertoo fyysikko Thomas Schörner-Sadenius vuonna 2015 julkaistussa historiikissa.
Hanke hyväksyttiin virallisesti kaksikymmentä vuotta myöhemmin, vuonna 1997, ja rakennustyöt aloitettiin Ranskan ja Sveitsin rajan alla kulkevalle 16,5 mailin (27 kilometrin) pituiselle renkaalle, joka kykenee kiihdyttämään hiukkasia 99,99 prosentin valonnopeuteen ja murskaamaan ne yhteen. Renkaan sisällä 9 300 magneettia ohjaa varattujen hiukkasten paketteja kahteen vastakkaiseen suuntaan 11 245 kertaa sekunnissa, kunnes ne lopulta törmäävät yhteen. Laitteisto pystyy luomaan noin 600 miljoonaa törmäystä sekunnissa, jolloin syntyy uskomattomia määriä energiaa ja aina silloin tällöin eksoottinen ja ennen näkemätön raskas hiukkanen. LHC toimii 6,5 kertaa suuremmilla energioilla kuin edellinen ennätyksellinen hiukkaskiihdytin, Fermilabin käytöstä poistettu Tevatron Yhdysvalloissa.
LHC:n rakentaminen maksoi yhteensä 8 miljardia dollaria, josta 531 miljoonaa dollaria tuli Yhdysvalloista. Yli 8 000 tutkijaa 60 eri maasta tekee yhteistyötä sen kokeissa. Kiihdytin käynnisti säteensä ensimmäisen kerran 10. syyskuuta 2008, jolloin se törmäytti hiukkasia vain kymmenmiljoonasosalla alkuperäisestä suunnitellusta voimakkuudestaan.
Ennen kuin se aloitti toimintansa, jotkut pelkäsivät, että uusi atomien murskaaja tuhoaisi Maapallon, kenties synnyttämällä kaiken syövän mustan aukon. Mutta kuka tahansa hyvämaineinen fyysikko toteaisi, että tällaiset huolet ovat perusteettomia.
”LHC on turvallinen, ja kaikki vihjailut siitä mahdollisesti aiheutuvasta riskistä ovat silkkaa fiktiota”, CERNin pääjohtaja Robert Aymar on sanonut LiveScience-lehdelle aiemmin.
Tämä ei tarkoita sitä, etteikö laitos voisi mahdollisesti olla haitallinen, jos sitä käytetään väärin. Jos pistäisit kätesi säteen, joka keskittää lentotukialuksen liikkeessä olevan lentotukialuksen energian alle millimetrin leveydelle, se tekisi reiän suoraan käden läpi ja sen jälkeen tunnelin säteily tappaisi sinut.
Mullistava tutkimus
Viimeisen kymmenen vuoden aikana LHC on murskannut atomeja yhteen kahta tärkeintä kokeiluaan, ATLAS:ia ja CMS:ia varten, jotka toimivat ja analysoivat tietojaan erikseen. Tällä pyritään varmistamaan, että kumpikaan yhteistyö ei vaikuta toiseen ja että kumpikin tarkistaa sisarkoettaan. Kojeet ovat tuottaneet yli 2 000 tieteellistä artikkelia monilta hiukkasfysiikan perusalueilta.
4. heinäkuuta 2012 tiedemaailma seurasi henkeään pidätellen, kun LHC:n tutkijat ilmoittivat löytäneensä Higgsin bosonin, joka on viimeinen palapelin pala viisi vuosikymmentä vanhassa teoriassa, jota kutsutaan fysiikan standardimalliksi. Standardimalli pyrkii selittämään kaikki tunnetut hiukkaset ja voimat (paitsi painovoiman) ja niiden vuorovaikutukset. Jo vuonna 1964 brittiläinen fyysikko Peter Higgs kirjoitti nykyään hänen nimeään kantavasta hiukkasesta artikkelin, jossa hän selitti, miten massa syntyy maailmankaikkeudessa.
Higgs on itse asiassa kenttä, joka läpäisee koko avaruuden ja vetää puoleensa jokaista hiukkasta, joka liikkuu sen läpi. Jotkut hiukkaset raahautuvat kentän läpi hitaammin, ja tämä vastaa niiden suurempaa massaa. Higgsin bosoni on tämän kentän ilmentymä, jota fyysikot ovat jahdanneet puolen vuosisadan ajan. LHC rakennettiin nimenomaan tätä vaikeasti tavoiteltavaa saalista varten. Kun lopulta havaittiin, että Higgsin massa oli 125 kertaa suurempi kuin protonin massa, sekä Peter Higgs että belgialainen teoreettinen fyysikko Francois Englert saivat Nobel-palkinnon vuonna 2013 sen olemassaolon ennustamisesta.
Fyysikot eivät voi levätä, vaikka Higgs on löydetty, sillä Standardimallissa on edelleen aukkoja. Se ei esimerkiksi käsittele painovoimaa, jota Einsteinin suhteellisuusteoriat pääosin käsittelevät. Se ei myöskään selitä, miksi maailmankaikkeus koostuu aineesta eikä antiaineesta, jota olisi pitänyt syntyä suunnilleen yhtä paljon aikojen alussa. Ja se vaikenee täysin pimeästä aineesta ja pimeästä energiasta, joita ei ollut vielä löydetty, kun se luotiin.
Ennen LHC:n käynnistymistä monet tutkijat olisivat sanoneet, että seuraava suuri teoria on niin sanottu supersymmetria, joka lisää kaikille tunnetuille hiukkasille samankaltaisia mutta paljon massiivisempia kaksoiskumppaneita. Yksi tai useampi näistä raskaista kumppaneista olisi voinut olla täydellinen ehdokas hiukkasiksi, jotka muodostavat pimeän aineen. Lisäksi supersymmetria alkaa päästä käsiksi painovoimaan ja selittää, miksi se on niin paljon heikompi kuin kolme muuta perusvoimaa. Ennen Higgsin löytymistä jotkut tutkijat toivoivat, että bosoni päätyisi olemaan hieman erilainen kuin mitä Standardimalli ennusti ja vihjaisi uudesta fysiikasta.
Mutta kun Higgs löytyi, se oli uskomattoman normaali, täsmälleen sillä massaluokalla, jolla Standardimallin mukaan sen pitäisi olla. Vaikka tämä on suuri saavutus Standardimallille, se on jättänyt fyysikot vaille hyviä johtolankoja. Jotkut ovat alkaneet puhua menetetyistä vuosikymmenistä, jolloin on jahdattu teorioita, jotka kuulostivat hyviltä paperilla mutta eivät näytä vastaavan todellisia havaintoja. Monet toivovat, että LHC:n seuraavat tiedonkeruuajot auttavat selvittämään osan tästä sotkusta.
LHC suljettiin joulukuussa 2018 kahden vuoden päivitys- ja korjaustöiden ajaksi. Kun se palaa verkkoon, se pystyy murskaamaan atomeja yhteen hieman suuremmalla energialla, mutta kaksinkertaisella määrällä törmäyksiä sekunnissa. Mitä se sitten löytää, sitä voi vain arvailla. On jo puhuttu vielä tehokkaammasta hiukkaskiihdyttimestä, joka tulisi sen tilalle ja joka sijaitsisi samalla alueella mutta olisi neljä kertaa LHC:tä suurempi. Valtavan korvaavan kiihdyttimen rakentaminen voisi viedä 20 vuotta ja 27 miljardia dollaria.