Det har kostat över 30 miljarder, planerats i ett kvartssekel och kallas för det största som någonsin gjorts. Allt detta för att leta efter något väldigt väldigt litet - som man inte ens vet om det finns.

LHC, Large Hadron Collider, vid det europeiska kärnfysikcentret CERN, på gränsen mellan Frankrike och Schweiz utanför Geneve, kommer att bli världens största partikelaccelerator.

LHC har planlagts sen 1980-talet, byggnationen har pågått sedan början av 1990-talet, kostat över 30 miljarder kronor och sysselsatt 10.000 fysiker och ingenjörer. Det klassas av många som världens största forskningsexperiment - någonsin.

I maj nästa år - efter många förseningar - är det meningen att maskinen skall startas. I en 27 kilometer lång ring, närmare 100 meter under mark, kommer forskarna att accelerera protoner, delar av atomkärnor, till nära ljushastigheten i två motriktade partikelstrålar. På några ställen låter man partikelstrålarna korsa varandra - med våldsamma kollisioner mellan protoner som följd.

Målet är att studera materiens minsta beståndsdelar. I potten ligger bland annat ett hägrande nobelpris, för upptäckten av det som kallas Higgs partikel.

Kollisioner smular sönder materien
Sen mitten av 1900-talet har fysikerna byggt större och större partikelacceleratorer, som med högre och högre energi kunnat kollidera partiklar mot varandra. Ju våldsammare, energirikare kollisioner, desto mer smulas materien sönder i sina beståndsdelar.

Idag vet fysikerna att atomerna i all materia vi ser runt omkring oss, och som vi är uppbyggda av, i sin tur är uppbyggd av tre sorter partiklar: Elektroner, så kallade leptoner, kvarkar och kraftpartiklar, så kallade bosoner. Kvarkarna bygger med hjälp av kraftpartikeln glounen upp protoner och neutroner, som i sin tur bygger upp atomkärnor. Runt atomkärnorna kretsar elektroner, fasthållna med hjälp av kraftpartikeln fotonen. (Fotonen är för övrigt också den partikel som ljus består av.) Tillsammans bildar atomkärnorna och elektronerna atomer - byggstenen för all vanlig materia.

Den här bilden av materien kallas standardmodellen. Den har prövats i en lång rad experiment, bland annat i tidigare partikelacceleratorer. Allt verkar stämma. Men det finns också problem.

Partikeln som får teorierna att stämma
Framför allt krävs ytterligare en partikel för att teorierna skall gå ihop: Higgs partikel. Idén om Higgs partikel kom redan på 1960-talet, bland annat av den skotske fysikern Peter Higgs. Forskarna har i praktiken räknat med att Higgs partikel faktiskt finns sedan 1970-talet.

Dels krävs Higgs partikel för att ekvationerna som beskriver standardmodellen skall gå att använda. Dessutom skulle Higgs partikel förklara varför de olika partiklarna i standardmodellen har olika massa, och massa överhuvudtaget. Utan Higgs partikel är alla andra partiklar masslösa - vilket naturligtvis inte stämmer. Higgs partikel förklarar också varför partiklarna har den massa de har - varför till exempel fotonen, ljuspartikeln, är masslös, medan andra är tunga.

Higgspartiklar ger andra partiklar massa
Den analogi forskarna brukar använda är att Higgs partikel är kopplad till en slags Higgskraft som finns överallt. När de andra partiklarna rör sig i det här kraftfältet så är det som att röra sig i en sirap. För en del partiklar går det trögt, de har stor massa. Runt dessa gör Higgskraften att det bildas och förintas en mängd Higgspartiklar - som en svärm Higgspartiklar som hänger och klänger och gör partiklarna tunga. För andra går det lättare, de har liten massa. Runt dessa bildas och förintas ett mindre antal Higgspartiklar. Och en del, som fotonen, påverkas inte alls - de saknar massa. Runt dessa bildas inga Higgspartiklar alls.

Problemet att bevisa att teorierna om Higgs partikel stämmer är att den själv antas vara mycket tung, tyngre än alla andra partiklar. Dessutom är den mycket kortlivad. En Higgspartikel lever i genomsnitt bara en bråkdel av en sekund, och faller sen sönder i andra partiklar, som ljuspartikeln fotonen.

Hur ska man hitta Higgspartikeln?
För att skapa en Higgspartikel krävs därför mycket höga kollisionsenergier. Hittills har fysikerna inte klarat av att åstadkomma detta med dagens partikelacceleratorer. LHC är specialdesignad för att lyckas med detta.

Men det är ingen barnlek. I LHC kommer det att ske uppskattningsvis en miljard partikelkollisioner varje sekund. Vid varje kollision kan en lång rad olika partiklar bildas och slungas åt alla håll. Många är liksom Higgspartikeln instabila och sönderfaller inom kort. Fysikerna måste kunna sålla bland alla miljardtals händelser per sekund och avgöra vad som egentligen kan ha varit en Higgspartikel. Bara några få partikelkollisioner per timme antas generera en Higgspartikel.

Datamängderna att analysera kommer att vara enorma. Det har liknats vid att leta efter en nål i 100 000 höstackar. Totalt kommer de fyra partikeldetektorerna som finns utplacerade där kollisionerna äger rum längs LHC att generera data motsvarande 100 kilometer DVD-skivor per år. För att hantera blotta mängden data har men byggt ut CERN:s datorcenter så att det nästa år skall finnas över 5000 PC-datorer, en enorm lagringskapacitet, och dessutom ett helt nytt internationellt datanätverk - The Grid - där datorkapacitet runt om i världen utnyttjas.

CERN mot Fermilab - vem blir först?
Forskarna i CERN är inte de enda som jagar Higgs partikel. Vid den nu största partikelacceleratorn, den amerikanska Tevatronen i Fermilab utanför Chicago, arbetar fysikerna dag och natt för att försöka trimma maskinen till det yttersta innan LHC kör igång. Tevatronen har funnits sen 1980-talet och har redan stått för en lång rad banbrytande upptäckter, bland annat av toppkvarken, den tyngsta av kvarkarna.

Den energi som krävs för att skapa Higgspartiklar i tillräckliga mängder för att kunna upptäckas anses ligga precis på gränsen till vad Tevatronen klarar av. Men eftersom färdigställandet av LHC redan försenats en hel del, och i år sköts upp ytterligare, från november 2007 till maj 2008, så har forskarna vid Fermilab tagit chansen att pressa Tevatronen en sista gång innan LHC tar över som världens största partikelaccelerator. Eftersom det dessutom tar en hel del tid att starta upp LHC och få allting att fungera så har konkurrenterna vid Fermilab minst ett år, förmodligen två-tre år på sig.

Om man skulle lyckas i Fermilab så skulle det i princip kunna innebära att den nobelprisupptäckt LHC är byggd för istället görs i Fermilab. Men många tvivlar att man kommer klara av att göra en så "tydlig" upptäckt - om nu Higgspartikeln finns. Gissningen är att Fermilab, om man har tur, kommer att se en första skymt av Higgs partikel, men att den slutgiltiga upptäckten kommer att göras med LHC.

Inte bara Higgs
Higgs partikel är dessutom bara en av många saker man hoppas på med LHC. Framför allt menar forskarna att fysikens resa in i materien inte är slut med en eventuell upptäckt av Higgspartikeln.

Det främsta skälet till detta är att standardmodellen, inklusive Higgspartikeln, endast duger för att beskriva atomernas värld - mikrokosmos. När fysiker och astronomer studerar universum så använder man andra teorier, bland annat Einsteins allmänna relativitetsteori, som beskriver gravitationskraften. Gravitationskraften finns inte med i standardmodellens beskrivning av atomernas uppbyggnad. Och fysikerna har ännu inte lyckats sätta samman Einsteins allmänna relativitetsteori med standardmodellens teorier om atomernas uppbyggnad.

Strängteorin - en teori om "allt"
Det finns olika idéer för hur detta skall göras - hur en "teori om allting" skulle kunna se ut. En populär sådan kallas strängteori, som grovt sett går ut på att alla partiklar - kvarkar, elektroner, kraftpartiklar, Higgspartiklar - ytterst består av mycket små, vibrerande strängar. Beroende på hur strängarna vibrerar ger de upphov till de olika partiklarna. Arbetet med strängfysiken är emellertid långtifrån klart. Framför allt har forskarna svårt att få fram några förutsägelser ur strängteorin som är möjliga att mäta och testa.

Till krångligheterna hör att matematiken runt strängteorin är mycket komplicerad. Bland annat förutsätter den att strängarna finns i 11 dimensioner - bra många fler än de vanliga tre vi ser runt omkring oss. Extradimensionerna skall enligt strängteorin vara mikroskopiskt små och "hoprullade", så att de är omöjliga att upptäcka annat än på ytterst små avstånd, mycket mindre än en atoms storlek.

Både strängteorin och många andra försök till en "teori om allting" förutsäger emellertid att det borde finnas en hel uppsättning till med partiklar. Alla vanliga partiklar - kvarkar, elektroner och kraftpartiklar - borde ha en slags supertunga kusiner. Många hoppas att de här superpartiklarna ska kunna skapas med LHC. Det skulle kunna vara en första indikation att strängfysikerna skulle kunna vara på rätt spår.

Vad består den mörka materien av?
Dessutom skulle superpartiklarna kunna lösa ytterligare en stor fråga. Astronomerna vet idag att universum till stor del består av en form av materia som inte går att se - mörk materia. Vad den mörka materien består av vet ingen. Den ger sig bara till känna genom sin dragningskraft på annan, synlig materia - stjärnor, galaxer. En möjlighet, som många lutar åt, är att den mörka materien består av en eller flera sorters hittills oupptäckta partiklar. Superpartiklarna är en huvudkandidat. Förhoppningen är alltså att man i LHC ska kunna tillverka mörk materia.

Andra fysiker hoppas att LHC ska kunna göra ännu mer exotiska upptäckter. En möjlighet som lyfts är bland annat att de höga energier som skapas plötsligt ska göra strängfysikens extra dimensioner synliga, ungefär genom att energi plötsligt försvinner eller dyker upp till de extra dimensionerna.

Skapa svarta hål
Ytterligare en möjlighet som tagits upp är att man i LHC ska kunna skapa mikroskopiska svarta hål - vilket också är något som strängfysiken förutser skall kunna finnas.

Och så finns naturligtvis ytterligare en möjlighet: Att man upptäcker något som ingen kunnat förutse. Eller att man inte upptäcker någonting alls, vare sig Higgspartiklar eller superpartiklar. Båda scenarierna skulle kunna kasta omkull en hel del av den moderna fysiken. Om alltihop är värt dryga 30 miljarder - ja, det är upp till var och en att bedöma.

Jens Ergon