uniVersI/O



2012: Higgsin vuosi?

Vaikka vuonna 2011 ei havaittukaan ekstraterrestiaalista elämää, oli se ehdottomasti eksoplaneettojen vuosi. Esimerkiksi ensimmäiset Maan kokoiset planeetat havaittiin kiertämässä Auringon kaltaista tähteä. Todennäköisesti havaittujen eksoplaneettojen määrä jatkaa kasvamistaan vuonna 2012 ja löydämme yhä enemmän Maan kokoisia planeettoja mahdollisesti jopa elämänvyöhykkeeltä. Viiden vuoden tauon jälkeen myös fysiikan nobel jaettiin vuonna 2011 tähtitieteilijöille maailmankaikkeuden kiihtyvän laajenemisen löytämisestä supernovahavaintojen pohjalta. Vuosi 2012 on kuitenkin hiukkasfysiikan vuosi. Vuoden 2011 aikana tehdyt mittaukset CERN:in Large Hadron Collider -hiukkaskiihdyttimellä ovat osoittaneet, että tutkijat ovat lähempänä kuin koskaan selvittääkseen mysteerisen Higgsin hiukkasen* olemassaolon. Vuosi 2012 todennäköisesti jää historian kirjoihin vuodeksi, jolloin Higgsin hiukkanen löydetään, tai todetaan, että se ei esiinny maailmankaikkeudessa sellaisena kuin ajattelemme. Mutta mikä on tämä hiukkaseläintarhan outo lintu ja miksi tutkijat ovat äärimmäisen kiinnostuneita löytämään Higgsin hiukkasen?

Aaltoja, hiukkasia vai aaltohiukkasia?

Lähdetään liikkeelle siitä mitä hiukkaset oikeastaan ovat. Samalla hyppäämme pois klassisen mekaniikan kelkasta ja astumme kvanttimekaniikan maailmaan. Kvanttimekaniikan mukaan hiukkaset käyttäytyvät samanaikaisesti sekä pistemäisen hiukkasen että aallon tavoin. Esimerkiksi kuuluisa Youngin kaksoisrakokoe osoittaa hiukkasten aaltoluonteen. Vastaavasti esimerkiksi digikamerassa valohiukkanen, eli fotoni, käyttäytyy pistemäisen hiukkasen tavoin kopauttaessaan kameran CCD-kennosta elektronin irti, jota voidaan helposti liikutella ja rekisteröidä (muodostaen loppujen lopuksi pienen osan lopullisesta kuvasta). Aallot tarvitsevat väliaineen edetäkseen, kuten veden aaltojen tai ilman ääniaaltojen tapauksessa, mutta mikä on hiukkasaaltojen väliaine? Esimerkiksi fotoneilla väliaineena toimii sähkömagneettinen kenttä. Voimme mitata sähkömagneettisen kentän voimakkuuden missä avaruuden pisteessä tahansa. Tässä pisteessä se voi keskimäärin olla joko nolla tai saada jonkun arvon. Mikäli sähkömagneettinen kenttä on jossain nollaa suurempi se voi aiheuttaa fysikaalisia ilmiöitä, kuten nostaa hiukset pystyyn tai iskeä kipinää. Kun sähkömagneettinen kenttä väreilee, näemme sen avaruudessa ristiin rastiin liikkuvina fotoneina ja riippuen aaltojen taajuudesta se voi olla esimerkiksi röntgen-, radio- tai näkyvän valon säteilyä. Jokaisella hiukkasella on oma ”väliaineensa”, joita kutsutaan yhteisnimellä kvanttikenttä. Kvanttikentän ominaisuuksiin kuuluu, että sen voimakkuus ei voi saada mitä arvoja tahansa. Pienintä mahdollista nollasta poikkeavaa kvanttikentän arvoa kutsutaan kyseisen kvanttikentän hiukkaseksi. Siispä Higgsin hiukkanen on yksinkertaisesti pienin mahdollinen arvo, jonka Higgsin kvanttikenttä, tai lyhyemmin Higgsin kenttä, voi saada. Tutkijat ovat erityisen kiinnostuneita juuri Higgsin kentästä eivätkä niinkään Higgsin hiukkasesta. Tosin Higgsin hiukkasen avulla pystytään selvittämään Higgsin kentän ominaisuuksia.

Kaiken takana on kenttä

Miksi Higgsin kenttä on sitten niin tärkeä? Kysymys voidaan myös muotoilla toisin: miksi hiukkasilla on massa**? Kysymys askarrutti erityisesti fyysikko Peter Higgsiä***, joka ehdotti, että hiukkasten massa (eli niiden taipumus vastustaa liiketilan muutoksia) syntyy niiden vaikuttaessa Higgsin kentän kanssa. Higgsin kenttä on kuin eräänlainen koko avaruuden täyttämä tahmea entiteetti, jonka läpi hiukkaset kyntävät. Mitä enemmän hiukkaset ”kulkevat” tässä tahmeassa entiteetissä sitä vaikeampi niiden liiketilaa on muuttaa (esimerkiksi näiden hiukkasten kiihdyttämiseen tarvitaan suurempi voima), jolloin hiukkaset näyttävät meille massiivisempina. Jos Higgsin kentän arvo olisi keskimäärin nolla, kaikki hiukkaset, esimerkiksi atomin osat – neutronit, elektronit ja protonit – olisivat massattomia tai hyvin keveitä. Tästä seuraisi totaalinen katastrofi, koska atomit eivät pysyisi kasassa vaan hajoaisivat. Ilman Higgsin kenttää meitä tai sen puoleen Maatakaan ei olisi olemassa. Fyysikot ovatkin sitä mieltä pohjautuen lukuisiin kokeisiin ja niiden matemaattiseen tulkintaan, että jonkinlainen kenttä, jonka arvo on nollasta poikkeava ja joka antaa massan hiukkasille on oltava olemassa. Määritelmän mukaan kyse on juuri Higgsin kentästä. Tutkijoille on kuitenkin vielä epäselvää minkälainen tämä Higgsin kenttä tarkalleen on. Onko olemassa mahdollisesti yksi Higgsin kenttä vai useampia? Tällöin jokaisella Higgsin kentällä olisi oma Higgsin hiukkasensa. Kenties Higgsin kenttä koostuu useammasta osakentästä, kuten esimerkiksi protonin kvanttikenttä koostuu kvarkki-, antikvarkki-, ja gluonikentistä. Ainoa tapa selvittää asia on suorittaa koe, jota CERN on juuri tekemässä LHC -hiukkaskiihdyttimellä. LHC on periaatteessa suunniteltu vastaamaan tutkijoiden kysymyksiin Higgsin kentästä riippumatta siitä löytääkö LHC itse Higgsin hiukkasta vai ei. Higgsin hiukkasen metsästyksen tulokset voidaankin jaotella seuraavasti:

  1. On olemassa ainakin yksi Higgsin hiukkanen, jonka LHC löytää ennemmin tai myöhemmin.
  2. LHC ei löydä Higgsin hiukkasta, jolloin Higgsin hiukkanen hajoaa liian nopeasti ennenkuin pystymme sitä havaitsemaan vaikuttaessaan joidenkin uusien, ennen näkemättömien hiukkasten ja voimien kanssa.

Toteutuipa kumpi kohta tahansa tutkijat saavat vihjeitä siitä kuinka Higgsin kenttä oikein toimii.

Laivanupotusta

Kuka muistaa lapsuudesta pelin laivanupotus, jossa kumpikin pelaaja sijoittaa omat laivansa pelikentälle toisen pelaajan tietämättä minne, jonka jälkeen pelaajat vuorotellen alkavat ”pommittaa” pelikentän ruutuja satunnaisesti tai järjestyksessä toiveissaan osua toisen pelaajan piilottamiin laivoihin? Higgsin hiukkasen etsiminen on kuin laivanupotuksen pelaamista maailmankaikkeutta vastaan, joka on piilottanut Higgsin hiukkasen jonnekin pelikentälle. Pelikenttä tässä tapauksessa vastaa Higgsin hiukkasen kaikkia mahdollisia massoja (hiukkasfysiikassa käytetään usein yksikköä GeV/c² – gigaelektronivoltti jaettuna valonnopeuden neliöllä – joka vastaa kutakuinkin yhden protonin massaa eli vajaa 2*10-27 kilogrammaa). Ensimmäisillä pommituksilla vastustajan laivoihin on erittäin vaikeaa osua, mutta jostain pommitukset on kuitenkin aloitettava. Pikkuhiljaa laudalle alkaa muodostua laivojen muotoisia aukkoja ja jossain vaiheessa osumme vastustajan laivaan. On toki mahdollista, että vastustajamme on huijannut eikä ole laittanut pelikentälle yhtäkään laivaa, mutta pelin kuluessa sekin selviää. Aikaisemmat kokeet ovat osoittaneet, että hiukkasfysiikan standardimallin Higgsin hiukkasen täytyy olla raskaampi kuin 115 GeV/c². Toisaalta standardimallin mukaan Higgsin hiukkasen täytyy olla keveämpi kuin 800 GeV/c². Tämä jättää aukon 115-800 GeV/c², jota LHC nimenomaan rakennettiin tutkimaan. Vuoden 2011 aikana LHC on pommittanut tiuhasti pelikenttää ja hiljalleen Higgsin hiukkasen muotoinen aukko alkaa olla näkyvissä. Massa-alue 141-470 GeV/c² on kokonaisuudessaan käyty läpi Higgsin hiukkasta löytämättä. Jäljellä on siis kaksi aluetta: kevyt alue 115-141 GeV/c² ja raskas alue 470-800 GeV/c². Nämä kaksi aluetta eroavat Higgsin hiukkasen massan lisäksi myös siinä kuinka Higgsin hiukkanen hajoaa (kts. kuva alla). Keveä Higgsin hiukkanen hajoaa enimmäkseen kahdeksi fotoniksi, ja sitä vastoin raskas Higgsin hiukkanen hajoaa kahdeksi W- tai Z-bosoniksi (jotka heti hajoavat kahdeksi muuksi hiukkaseksi). Nämä hajoamistuotteet juuri havaitaan ATLAS- ja CMS-ilmaisimilla, mukaanlukien hajoamistuotteet muiden hiukkasten miljoonista hajoamistuotteista. Niinpä hiukkaskiihdyttimellä on tehtävä lukuisia törmäyskokeita, jotta Higgsin hiukkasen heikko signaali pystytään erottamaan taustakohinasta. Monet tutkijat ovat sitä mieltä, että viimeisen 20 vuoden aikana tehdyt mittaukset osoittavat, että Higgsin hiukkasen täytyy olla keveämpi kuin 400 GeV/c², joka jättää Higgsin hiukkaselle välin 115-141 GeV/c².

Mitä tarkalleen ottaen on havaittu?

Katsotaanpa tarkemmin itse havaittua aineistoa LHC:n ATLAS- ja CMS-ilmaisimesta.

Yo. kuvaajissa vaakasuora akseli näyttää hiukkasen massan ja pystysuora akseli näyttää sen kuinka varmoja tutkijat ovat mittauksen todellisuudesta, joka riippuu siitä kuinka monta kertaa he näkivät hiukkasen hiukkaskiihdyttimen törmäyskokeissa. Mitä suurempi arvo pystysuoralla akselilla sitä varmempi mittaustulos on. Pystysuoran akselin yksikkö on sigma. Yksi sigma vastaa 68% todennäköisyyttä, että mittaustulos ei ole mittauksessa syntyvää kohinaa. Tai päin vastoin on 32% mahdollisuus, että mittaustulos on vain kohinan aiheuttama signaali. Vastaavasti kaksi sigmaa vastaa 95% todennäköisyyttä, että mittaustulos ei ole kohinaa. Kolme sigmaa vastaa todennäköisyyttä 99.7%, neljä 99.99%, viisi 99.9999% jne. Kuvaajissa katkoviiva näyttää sen mitä hiukkasfysiikan standardimalli ennustaa ilman Higgsin hiukkasta. Vihreä ja keltainen vyöhyke näyttää yhden ja kahden sigman luottamusvälin tälle ennusteelle. Musta viiva näyttää ATLAS (ylempi kuvaaja) ja CMS -ilmaisimien (alempi kuvaaja) mittaustuloksen. Se mitä tutkijat käytännössä etsivät ovat kohtia, missä musta viiva ylittää keltaisen vyöhykkeen sekä nousee mahdollisimman korkealle pystysuoralla akselilla. Näissä kohdissa standardimalli ei pysty selittämään mittaustulosta ilman Higgsin hiukkasen olemassaoloa. Molemmissa kuvaajissa mittaustuloksen varmuus nousee yli kahden sigman vyöhykkeen suurinpiirtein 125 GeV/c² kohdalla. ATLAS -ilmaisimessa huippu osuu noin 2.4 sigman kohdalle vastaten 98% varmuutta, ja CMS -ilmaisimessa vastaavasti 1.9 sigman kohdalle vastaten 94% varmuutta. Vaikka mittaustulosten varmuus ei vielä ole päätä huimaava, on mittaustulos juuri sitä, mitä tutkijat ovat odottaneetkin, koska teoria standardimallin yksinkertaisimmasta Higgsin hiukkasesta antaa sille massan, joka on suurinpiirtein sama kuin mitattu 125 GeV/c². Tämän lisäksi lisävarmuutta mittaukseen tuo kaksi toisistaan riippumatonta mittausta ATLAS- ja CMS-ilmaisimilla.

Mitä vuosi 2012 tuo tullessaan?

Vuoden 2012 aikana kertyneen aineiston perusteella LHC:n pitäisi pystyä mittaamaan Higgsin hiukkasen signaalin viiden sigman todennäköisyydellä, eli tällöin olisi erittäin epätodennäköistä (noin yksi kymmenestä miljoonasta), että Higgsin hiukkasen signaali olisi kohinan aiheuttamaa. On myös mahdollista, että nyt mitattu signaali osoittautuu kohinaksi ja Higgsin hiukkanen jää toistaiseksi löytämättä. On kuitenkin hyvä pitää mielessä, että nyt etsittävä Higgsin hiukkanen on yksinkertaisin mahdollinen standardimallin puitteissa. Kuten yllä mainittiin, yksinkertaisinta Higgsin hiukkasta ei välttämättä pystytä havaitsemaan sen hajotessa liian nopeasti reagoidessaan joidenkin ennen näkemättömien hiukkasten kanssa. Tämä tilanne olisi fyysikoille vieläkin mielenkiintoisempi, koska uudet ongelmat fysiikassa tuovat meille aina loppujen lopuksi paremman ymmärryksen maailmankaikkeudestamme.

Lisätietoa erinomaisista blogeista, joita tätä kirjoittaessa olen monesti lukenut:

* Higgsin hiukkasta kutsutaan usein myös Higgsin bosoniksi. Hiukkasfysiikassa maailmankaikkeudessa esiintyvät hiukkaset jaetaan kahteen luokkaan: fermioneihin ja bosoneihin. Lyhykäisyydessään fermionit ovat hiukkasia, jotka ”ottavat tilaa” itselleen, eli kahta fermionia ei voi asettaa täysin samaan kvanttitilaan (sama avaruudellinen paikka, spin jne.). Näin ollen fermioneihin kuuluu ”ainehiukkaset”, esimerkiksi atomin osaset elektronit ja kvarkit. Maailma olisi hyvin outo paikka mikäli voisimme sijaita täsmälleen samassa paikassa samaan aikaan. Sitä vastoin bosonit voivat, ja suorastaan hinkuvat, sijaita samassa kvanttitilassa, ja niihin kuuluvat esimerkiksi sähkömagnetismin välittäjähiukkaset fotonit, vahvan vuorovaikutuksen välittäjähiukkaset gluonit ja heikon vuorovaikutuksen välittäjähiukkaset W- ja Z-bosonit. Esimerkiksi laserin toiminta perustuu juuri siihen, että fotonit ovat bosoneita ja voivat asettua suurina määrinä samaan kvanttitilaan. Higgsin hiukkanen sattuu olemaan bosoni, mutta se ei ole erityisen tärkeä seikka siihen miksi tutkijat haluavat löytää sen. Usein Higgsin hiukkasta tituleerataan myös ”jumalhiukkaseksi” (God particle), mutta se on keksitty ainoastaan mainostusmielessä. Professori ja nobelin palkinnon saaja Leon Ledermanin kirja Higgsin hiukkasesta on saanut kyseisen nimen ainoastaan kirjan myyntilukujen kasvattamista varten. Jääköön mietittäväksi onko se hyvä vai huono asia, mutta lempinimessä ei ainakaan ole tippaakaan tieteellistä saati uskonnollista perää.

** Hiukkasten massa on monitahoisempi juttu mitä ensikuulemalta ajattelee ja se koostuu useammasta komponentista. Koska suhteellisuusteorian mukaan massa on energiaa ja päinvastoin (E=mc²), hiukkasen liike-energia kasvattaa sen massaa. Samoin esimerkiksi protonin massasta suurin osa on kvarkkien koossapitävän vahvan vuorovaikutuksen energian aiheuttamaa massaa. Z- ja W-bosonit saavat suoraan massansa Higgsin kvanttikentästä, mutta esimerkiksi elektronien ja kvarkkien kytkeytymisen voimakkuudesta Higgsin kentän kanssa ei ole varmuutta. Mitä voimakkaampi kytkös sitä enemmän massaa hiukkanen saa Higgsin kentästä.

*** Vaikka Higgsin kenttä on nimetty Peter Higgsin mukaan, samaan ratkaisuun päätyivät myös kaksi muuta tutkimusryhmää (Francois Englert ja Robert Brout sekä Gerald Guralnik, C. R. Hagen ja Tom Kibble) samanaikaisesti ja toisistaan tietämättä.

Advertisements

Vastaa

Täytä tietosi alle tai klikkaa kuvaketta kirjautuaksesi sisään:

WordPress.com-logo

Olet kommentoimassa WordPress.com -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Twitter-kuva

Olet kommentoimassa Twitter -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Facebook-kuva

Olet kommentoimassa Facebook -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Google+ photo

Olet kommentoimassa Google+ -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Muodostetaan yhteyttä palveluun %s

%d bloggers like this: