uniVersI/O



Hiukkasen Higgsin hiukkasesta

Palasin jälleen elävien kirjoihin. Kiitokset kaikille lukijoille, jotka ovat jaksaneet odotella näinkin kauan tulevia postauksia!

Tämän vuoden ehdoton ykköstiedeuutinen tuli CERN:stä: Higgsin hiukkanen on löydetty! Fyysikot hurraavat ja Higgsin mekanismin kehittelijöille povataan Nobelin palkintoa (jota ei ainakaan vielä tänä vuonna myönnetty). Ihmiskunta on askeleen edempänä tiellä kohti yhtenäistä hiukkasfysiikan mallia. Higgsin hiukkanen, tai tarkemmin Higgsin kvanttikenttä, antaa muille hiukkasille niiden massan. Mutta mitä massa oikeastaan on? Ainekin se on jotain joka kertyy iän karttuessa vyötärön ympärille, mutta mikä on sen pohjimmainen olomuoto ja miten Higgsin hiukkanen siihen loppujen lopuksi liittyy?

Vaikka Higgsin hiukkanen on vastuussa hiukkasten lepomassoista, suurin osa asioiden massasta ei kuitenkaan ole peräisin Higgsin hiukkasesta. Esimerkiksi ihmisen painosta keskimäärin noin prosentti pohjaa Higgsin hiukkaseen. Mistä loppu massa sitten tulee? Atomien massa keskittyy lähes kokonaan sen ytimeen. Atomin ytimen protonit ja neutronit taas koostuvat kvarkeista, jotka liikkuvat vinhaa vauhtia ympäriinsä. Jotta protonit ja neutronit pysyisivät kasassa, vahva vuorovaikutus estää kvarkkeja lentämästä ympäriinsä. Suhteellisuusteorian mukaan energia ja massa ovat saman kolikon eri puolia, ja suurin osa atomien massasta onkin kvarkkien ja vahvan vuorovaikutuksen välittäjähiukkasten — gluonien — energiaa.

Massan käsitteeseen pääsemme kenties helpommin sisälle jos ajattelemme sen vastakohtaa: minkälaista on massaton aine? Hyvä esimerkki massattomista hiukkasista ovat fotonit. Fotonien ominaisuuksiin kuuluu, että ne liikkuvat jatkuvasti valonnopeudella (suhteessa väliaineeseen). Fotonit eivät voi myöskään koskaan hidastaa vauhtia, pysähtyä paikalleen tai liikkua nopeammin kuin valonnopeus. Toisin sanoen massan omaavien hiukkasten etuoikeuksiin kuuluu pysähtyminen paikoilleen. Tästä ominaisuudesta seuraa yllättävä sivuvaikutus, nimittäin mahdollisuus liikkua myös ajassa. Suhteellisuusteoriassa aika- ja avaruusulottuvuudet on pakattu yhteen muottiin — aika-avaruuteen. Sen ominaisuuksiin kuuluu, että mitä nopeammin avaruudessa oleva havaitsija liikkuu suhteessa paikallaan olevan havaitsijaan sitä vähemmän aikaa kuluu liikkuvan havaitsijan mielestä. Tämä on juuri se kuuluisa ”kaksosparadoksi”, jossa tähtienväliselle matkalle lähtevä sisar vanhentuu vähemmän kuin Maahan jäävä sisar. Mikäli havaitsija liikkuisi valonnopeudella, suhteellisuusteorian mukaan aikaa ei kuluisi ollenkaan. Kuvitellaan, että ampaisisit liikkeelle nyt valonnopeudella ja vuotta myöhemmin palaisit takaisin täsmälleen samaan paikkaan. Aikaa ei mielestäsi olisi kulunut lainkaan, mutta kaikki ympärilläsi olisivat ”taianomaisesti” vanhentuneet vuoden verran silmänräpäyksessä (ja huonekalut siirtyneet paikoiltaan). Toisaalta tämä ajatus on suhteellisuusteoreettisesti täysin mahdoton, koska massalliset havaitsijat eivät voi liikkua koskaan valonnopeudella. Jotta voisit liikkua vapaasti valitsemallasi valonnopeutta pienemmällä nopeudella ja samalla vanhentua tarvitset siis massaa. Mikäli kaikki hiukkaset olisivat massattomia ne eivät voisi muodostaa atomeja, ja näin ollen koko maailmankaikkeuden rakenteiden kirjo — galaksit, tähdet, planeetat ja elämä — olisi mahdoton. Massa on siis yksi tärkeimmistä ellei jopa tärkein aineen ominaisuus, ja Higgsin hiukkanen on massan mysteerin pohjalla. Mutta Higgsin hiukkasen, ja itseasiassa koko maailmankaikkeuden, pohjalla on kuitenkin symmetria.

Symmetria

Symmetria on kaikille intuitiivisesti tuttu käsite. Yleensä pidämme symmetrisiä asioita kauniina. Taide- sekä design-maailma käyttävät symmetriaa jatkuvaksi hyväkseen. Tahallinen symmetrian rikkominen voidaan myös nähdä uutena elämyksenä, joka poikkeaa normaalista symmetrisestä käsityksestämme. Myös moderni fysiikka nojaa vahvasti symmetriaan ja erityisesti sen (paikalliseen) rikkoutumiseen. Tavallisesti ajattelemme symmetriaa geometrisesti, mutta symmetrian käsite ulottuu paljon laajemmalle. Symmetria määritellään matematiikassa asiaksi, joka ei muutu tarkasti määritellyn muutoksen aikana. Esimerkiksi ympyrä ei muutu, kun sitä pyöritetään keskipisteensä ympäri. Voimme kääntää tämän määritelmän myös toisinpäin: kun kaksiulotteiseen avaruuteen asetetaan pyörimissymmetria se määrittää ympyrän. Samaan tapaan kolmiulotteiseen avaruuteen asetettu pyörimissymmetria määrittää pallon.

Symmetria on kiinteästi yhteydessä fysiikan klassisiin säilymislakeihin. Säilymislaeissa jokin suure ”säilyy”, eli ei muutu tarkasti määritellyn muutoksen aikana. Fyysikkoslangilla puhutaan invarianteista. Esimerkiksi energiansäilymislaissa systeemin kokonaisenergia alkutilanteessa on sama kuin systeemin kokonaisenergia lopputilanteessa huolimatta välissä tapahtuvista systeemin osasten välisistä vuorovaikutuksista. Tässä tapauksessa kokonaisenergia on siis invariantti suure, ja tarkasti määritelty muutos on ajan kuluminen alkutilanteesta lopputilanteeseen. Toisin sanoen, kun asetetaan symmetria ajan suhteen (fysiikan lait eivät muutu mentäessä ajan hetkestä toiseen tai toisinpäin) niin kokonaisenergian säilyminen on väistämätön lopputulos.

Kuten moni muukin, myös symmetrian voittokulku fysiikan lakien perustalle alkoi Einsteinista. Suhteellisuusteoriassa symmetria on avainasemassa: valonnopeus on sama kaikille havaitsijoille riippumatta havaitsijan liiketilasta. Toisin sanoen kun neliulotteiseen aika-avaruuteen asetetaan symmetria havaitsijan liiketilan suhteen ulos pulpahtaa (erityinen) suhteellisuusteoria. Suhteellisuusteoriakin on siis vain seuraus alla piilevästä symmetriasta. Kuulostaa hokkuspokkukselta, mutta sama mekanismi toimii muillakin fysiikan osa-alueilla.

Mittakenttä

Miten symmetria ilmenee hiukkasfysiikassa? Geometrinen symmetria on helposti visualisoitavissa, mutta hiukkasten välinen symmetria kuulostaa sangen abstraktilta. Protonit ja neutronit käyttäytyvät vahvan vuorovaikutuksen alla lähes samalla tavalla, missä ”lähes” viittaa pieniin eroihin, jotka voidaan selittää protonin tunteman sähkömagneettisen voiman avulla. Jos sähkömagneettinen voima jätetään huomiotta (sangen hyvä approksimaatio ottaen huomioon, että vahva vuorovaikutus on sähkömagneettista voimaa noin sata kertaa voimakkaampi), niin mikä tahansa fysikaalinen prosessi pysyy muuttumattomana kun protonit vaihdetaan neutroneiksi ja päin vastoin. Eli vahva vuorovaikutus on symmetrinen protonien ja neutronien väliselle vaihdolle. Vaihto tässä tapauksessa tarkoittaa hiukkasten muuttumista toisikseen täysin samanaikaisesti ottamatta huomioon hiukkasten avaruudellista sijaintia ja siksi tällaista symmetriaa kutsutaan globaaliksi. Tämä kuitenkin kalskahtaa heti korvaan suhteellisuusteorian vastaisena toimenpiteenä. Suhteellisuusteorian mukaan informaatio kulkee rajallisella nopeudella ja näin ollen hiukkaset tässä ja hiukkaset tuolla vastaanottavat informaation muuttumisesta eri aikoina. Suhteellisuusteoriaan sopii paremmin lokaali symmetria, joka koskee jokaista avaruuden pistettä erikseen.

Nyt kysymys kuuluukin, onko hiukkasfysiikassa olemassa lokaalia symmetriaa – symmetriaa johon liittyisi hiukkasten muuttuminen toisiksi hiukkaseksi avaruusajan eri pisteissä? Vaikka ensi alkuun lokaali symmetria kuulostaa asialta, joka olisi helpommin toteutettavissa kuin globaali symmetria, niin itseasiassa se on hyvinkin rajoittava tekijä. Otetaan esimerkiksi jo aikaisemmin käytetty ympyräsymmetria (kts. kuva alla). Globaali symmetria pyörittää ympyrän jokaista pistettä saman verran keskipisteen ympäri ja näin ympyrä pysyy muuttumattomana tämän toimenpiteen jälkeen. Sitä vastoin lokaali symmetria pyörittää ympyrän jokaista pistettä eri verran, jolloin ympyrä muuttuu radikaalisti kaareksi, useammiksi kaariksi tai jopa romahtaa yhdeksi pisteeksi. Näin ollen ympyrä ei pysy muuttumattomana, eli ei ole invariantti, lokaalin symmetrian vaikutuksen alla. Niinpä säilyttääkseen identiteettinsä ympyränä, ympyrän täytyy olla ovela ja kehittää jonkinlainen korjaustoimenpide joka pitää sen kasassa lokaalin symmetrian vaikutuksen alla. Tämä korjaustoimenpide on nimeltään mittakenttä.

Globaali symmetria pyörittää ympyrän jokaista pistettä saman verran (yllä). Lokaali symmetria pyörittää ympyrän jokaista pistettä eri verran (alla). Ympyrä siis säilyttää muotonsa globaalin mutta ei lokaalin symmetrian alla.

Mittakenttä on kuin elastinen kude, joka venyy juuri oikealla tavalla jokaisessa avaruuden pisteessä, jotta mikä tahansa elementti pysyy muuttumattomana lokaalin symmetrian vaikutuksen alla. Näin ollen kun jokaista ympyrän pistettä pyöritetään eri verran, mittakenttä mukautuu jokaisen pisteen kohdalla niin, että ympyrä pysyy muuttumattomana. Niinpä globaali symmetria voidaan muuttaa lokaaliksi symmetriaksi lisäämällä tarkasteltavaan avaruuteen uusi elementti: mittakenttä.

Vaikka teoria on kaunis, ei maailmankaikkeuden tarvitse sitä välttämättä noudattaa. Mittakenttä, tai pikemminkin mittakentät, eivät kuitenkaan jääneet vinksahtaneen teoreetikon abstraktiksi keksinnöksi vaan ne osoittautuivat erittäin todellisiksi ja konkreettisiksi entiteeteiksi. Protonien ja neutronien muuttuminen toisikseen lokaalin symmetrian mukaisesti vaatii mittakenttiä, jotka vastaavat täsmälleen gluonien, eli vahvan vuorovaikutuksen välittäjähiukkasien, kvanttikenttiä. Symmetriaperiaate hiukkasten välillä konkretisoituu siis välittäjähiukkasten (fyysikkoslangilla mittabosonien) olemassaoloon. Ja mikä parasta, nämä välittäjähiukkaset pystytään havaitsemaan. Samaan tapaan kaikkien muiden voimien välittäjähiukkaset ovat seurausta alla piilevästä symmetriasta.

Otetaan vielä toinen esimerkki. Kvanttimekaniikan mukaan elektroni voidaan ajatella sekä hiukkasena että aaltona. Elektronin aaltokuvauksessa sille on määritelty tietty amplitudi (aallon korkeus) ja taajuus (aallon huippujen välinen matka). Tämän lisäksi sillä on vielä vaihe, eli missä aallon huiput sijaitsevat suhteessa johonkin referenssiin, esimerkiksi toiseen aaltoon. Vaihe-ero määritellään kahden eri aallon huippujen väliseksi eroksi. Elektronin amplitudi ja taajuus ovat sille ominaisia tunnuspiirteitä, joita muuttamalla emme enää puhuisi elektroneista, mutta elektronin aaltofunktion vaihe voi saada minkä tahansa arvon. Niinpä muuttamalla kaikkien maailmankaikkeuden elektronien vaihetta saman verran samaan aikaan mikään ei muuttuisi. Kuulostaa tutulta ja kyseessä on globaali symmetria (joka itseasiassa määrittää sähkövarauksen säilymislain). Lokaalin symmetrian asettaminen tässäkin tapauksessa aiheuttaa ongelmia, sillä elektronien välinen vaihe-ero on nähtävissä ja se aiheuttaisi interferenssiä aaltofunktioiden välillä, joten tilanne olisi hyvin erilainen kuin se mistä alunperin lähdettiin. Asettamalla kuitenkin sopiva mittakenttä ongelmista päästään eroon. Tässä tapauksessa mittakenttä vastaa fotonin kvanttikenttää, eli sähkömagneettista kenttää.

Fysiikan lait ovat siis seurausta symmetriasta. Kaikki eri perusvoimat voidaan koota saman katon alle pohjaamalla symmetriaperiaatteeseen ja mittakenttiin, tai yhteen paketoituna mittasymmetriaan. Mutta mittakentissä piilee kuitenkin sananmukaisesti massiivinen ongelma.

Massiivinen ongelma

Hiukkasfysiikan standardimalli kokoaa yhteen sähkömagneettisen, heikon ja vahvan vuorovaikutuksen mittasymmetrian avulla. Sangen abstrakti käsite — mittakenttä — varmistaa, että symmetria toteutuu puhtaimmalla mahdollisella tavalla. Kaupan päälle mittakentät sisältävät voimien välittäjähiukkaset: fotonin, gluonit ja heikon vuorovaikutuksen välittäjähiukkaset W:n ja Z:n. Mittakentissä piilee kuitenkin ongelma, joka ei sovi yhteen havaintojen kanssa. Mittakenttäteorian mukaan kaikkien välittäjähiukkasten pitäisi olla massattomia. Tämä sopii hyvin fotonille ja gluoneille, jotka ovat massattomia, mutta W ja Z ovat suhteellisen raskaita hiukkasia. Kuinka sitten mittakenttäteoriaan saadaan sisällytettyä massiivisia välittäjähiukkasia? Ratkaisu piilee juurikin Higgsin kentässä, mutta ennen kuin päästään Higgsin kimppuun, tarkastellaan ensin miksi mittakentät syrjivät massiivisia hiukkasia.

Fotonit voidaan kvanttimekaniikan mukaan ajatella sekä hiukkasina että sähkömagneettisina aaltoina. Sähkömagneettiset aallot ovat värähtelyjä sähkö- ja magneettikentässä, jossa värähtelyt tapahtuvat poikittain aallon menosuuntaa vastaan. Värähtelyjä ei siis tapahdu pitkittäin, kuten esimerkiksi ääniaalloissa, jotka ovat ilman, tai minkä tahansa kaasun, vuorottelevaa tiivistymistä ja harvenemista. Yleisesti ottaen aallot voivat värähdellä sekä poikittain että pitkittäin, kuten esimerkiksi aallot vedessä, jotka muodostuvat vesimolekyylien pyörivästä liikkeestä (kts. kuva alla). Pitkittäisten aaltojen puuttuminen sähkömagneettisilta aalloilta ei ole sattumaa vaan seurausta mittasymmetriasta. Mittasymmetria suodattaa pitkittäiset aallot mittabosoneilta, jolloin ne ovat fotonien kaltaisia, mittakentissä valonnopeudella eteneviä poikittaisia aaltoja. Massiivisilla hiukkasilla sitä vastoin täytyy olla pitkittäin värähteleviä aaltoja, koska ne voivat olla levossa. Kun massiivista hiukkasta tarkastellaan hiukkasen ollessa levossa (esimerkiksi liikkumalla sen vieressä täsmälleen samalla nopeudella) pitkittäisiä ja poikittaisia aaltoja ei voida erottaa toisistaan, koska liikkeen suuntaa ei voida määrittää. Toisaalta alkuperäinen tarkastelijan ja hiukkasen välinen liike (vaikka ne itse eivät siitä tietäisikään) voi olla mihin suuntaan tahansa, ja tästä suunnasta huolimatta tarkastelija pitäisi hiukkasta täsmälleen samannäköisenä. Näin ollen massiivisella hiukkasella täytyy olla sekä poikittaisia että pitkittäisiä aaltoja. Tästä seuraa ns. sähköheikon vuorovaikutuksen symmetriarikko, jossa mittasymmetria ei sisällä massiivisia välittäjähiukkasia, mutta on silti aivan pätevä teoria selittämään miten heikko vuorovaikutus toimii.

Pitkittäiset aallot, esimerkiksi ääniaallot ovat vuorotellen tihentyviä ja harventuvia (ylhäällä). Poikittaiset aallot ovat vuorotellen nousevia ja laskevia (keskellä). Aallot vedessä ovat sekä pitkittäisiä että poikittaisia, koska vesimolekyylit niissä liikkuvat ylös ja alas sekä sivuttain (alhaalla).

Itsestään rikkoutuvia symmetrioita

Vaikka yllä on paasattu symmetrioista väsymykseen saakka, se ei tarkoita sitä, että maailmankaikkeus sisältäisi vain symmetrisiä paikkoja. Otetaan esimerkiksi huone, jossa istut lukemassa tätä postausta. Vaikka fysiikan lait noudattavat ympyräsymmetriaa (kaikki suunnat ovat siis yhtä päteviä), voit helposti todeta tavaroiden tippuvan aina lattialle, eli alaspäin. Pystysuora suunta siis näyttää olevan meille erityislaatuinen, koska satumme elämään Maapallon pinnalla. Tästä voidaan siis vetää johtopäätös, että tietyt fysikaaliset systeemit eivät sisällä kaikkia niitä hallitsevien perusvoimien symmetrioita.

Otetaan toinen esimerkki. Auringon painovoima heikkenee pallosymmetrisesti joka suuntaan etäisyyden neliön verran. Pallosymmetrian mukaisesti planeettojen radat täytyisivät olla siis ympyröitä. Tämä on kuitenkin ristiriidassa Keplerin havaintojen kanssa, jonka mukaan planeettojen radat ovat ellipsejä. Saattaakseen ristiriitaiset havainnot ja teorian yhteen, Newton osoitti, että planeettojen elliptiset radat voidaan selittää niiden erilaisilla alkunopeuksilla, jotka eivät noudata pallosymmetriaa Auringon ympäri. Niinpä yhtälön symmetria (painovoimalaki) ei välttämättä ole sen ratkaisun symmetria (planeetan rata), ottaen huomioon uusi vapausaste (alkunopeus).

Yo. kaksi esimerkkiä osoittavat, että symmetrian puute johtuu paikallisista olosuhteista vaikka fysiikan lait ovatkin pohjimmiltaan symmetrisiä. Mielenkiintoinen ilmiö syntyy, kun systeemi ajautuu itsestään pois symmetrisestä asetelmasta. Tällöin puhutaan ns. spontaanista symmetriarikosta, vaikka symmetria ei tässä varsinaisesti ”rikkoudu” vaan häviää paikallisesti. Spontaani symmetriarikko on juuri se puuttuva elementti, jolla mittasymmetria saadaan yhteensopivaksi massiivisten välittäjähiukkasten kanssa. Meille tutumpi esimerkki spontaanista symmetriarikosta on ferromagnetismi. Ferromagneetti on ainetta, joka tietyissä olosuhteissa magnetisoituu ja pysyy magneettisena kunnes se toisenlaisissa olosuhteissa voidaan palauttaa takaisin ei-magneettiseksi aineeksi. Ferromagnetismi perustuu atomien elektronien mikroskooppisiin magneettikenttiin sekä elektronien liikkeeseen atomin sisällä. Kun ferromagneetin atomien magneettikentät osoittavat satunnaisiin suuntiin, atomien mikroskooppiset magneettikentät kumoavat toisensa ja nettomagneettikenttää ei synny. Tällöin ferromagneetti on symmetrisessä tilassa. Miten päin tahansa ferromagneettia käännellään, niin se näyttää samalta magneettikentän kannalta. Spontaani symmetriarikko kuitenkin tapahtuu, kun atomien mikroskooppiset magneettikentät järjestäytyvät samansuuntaisesti voimistaen ferromagneetin nettomagneettikenttää. Tällöin magneettikentän symmetria rikkoutuu, koska ferromagneettia käännellessä se ei enää näytä samalta magneettikentän kannalta. Samaan tapaan kuin gravitaatioesimerkissä magneettikentällä on nyt erityinen suunta: magneettinen pohjois- ja etelänapa. Miksi ferromagneetti sitten ylipäätään magnetisoituu? Ferromagneettien atomit järjestäytyvät magneettikenttien kannalta yhdensuuntaisiksi, koska se on ferromagneetille energeettisesti edullisin tila johon sen kannattaa pyrkiä. Magneettikentän voi kuitenkin hävittää lämmittämällä ferromagneettia yli kriittisen lämpötilan, jolloin sen atomien terminen liike muuttaa niiden mikroskooppisten magneettikenttien suuntaa. Tärkein huomio tässä esimerkissä on, että systeemin energeettisesti edullisin tila (mihin luonto aina pyrkii) voi olla tila jossa symmetria on rikkoutunut.

Vihdoin Higgs

Lyhykäisyydessään Higgsin mekanismi on (sähköheikon) mittasymmetrian spontaani symmetriarikko. Nyt on päästy siis vihdoin asian ytimeen. Mitä tämä sitten tarkalleen ottaen tarkoittaa? Pistetään propellihatut päähän ja yritetään summata yllä opitut asiat yhteen.

Sähköheikko mittasymmetria on siis kvanttikenttä, joka takaa paikallisen symmetrian säilymisen kun vaihdamme hiukkasia päikseen. Tämän kvanttikentän värähtelyt ilmenevät meille hiukkasina, jotka heikon vuorovaikutuksen tapauksessa ovat W- ja Z-hiukkaset. Mutta ongelmia syntyi niiden havaitusta massasta, joka kielii pitkittäisistä aalloista niiden aaltokuvauksissa. Spontaani symmetriarikko sitä vastoin on tila, jossa symmetria on erityisissä olosuhteissa hävinnyt, ja systeemille on syntynyt jokin erityinen suunta. Se osoittautui sekä energeettisesti edullisimmaksi tilaksi johon luonto ”luonnostaan” hakeutuu että fysiikan lain symmetrian epäsymmetriseksi ratkaisuksi sisältäen uuden vapausasteen. Higgsin mekanismi on siis kaikki tämä yhdessä paketissa. Se on maailmankaikkeuden alkuarvo, koko avaruuden kattava kvanttikenttä (Higgsin kenttä) ja seuraus maailmankaikkeuden hakeutumisesta energeettisesti edullisimpaan tilaan. Se on pelastusrengas mittasymmetrialle, maailmankaikkeuden perustalla olevalle symmetrialle, jolla W- ja Z-hiukkasten massat pystytään selittämään. Higgsin kenttä on se erityinen suunta, jota pitkin kulkemalla hiukkaset näyttävät massiivilta.

Higgsin kenttää voidaan tavallaan ajatella uutena ulottuvuutena ja nimitetään sitä huvikseen siirappiulottuvuudeksi. Hiukkaset voivat siis kulkea kolmessa avaruusulottuvuudessa, yhdessä aikaulottuvuudessa ja yhdessä (kuvitteellisessa) siirappiulottuvuudessa. Siirappiulottuvuus on avaruusulottuvuuksien kaltainen, siinä mielessä että sitä pitkin voidaan kulkea tai olla kulkematta.  Siirappiulottuvuuden ominaisuuksiin kuuluu, että mitä enemmän hiukkaset siellä kulkevat sitä vähemmän ne voivat edetä avaruusulottuvuuksissa, tai toisin sanoen sitä ”jähmeämpää” niiden liike on avaruusulottuvuuksissa. Kaikki hiukkaset kulkevat siis valonnopeudella, joka hiukkasesta riippuen jakautuu avaruus- ja siirappiulottuvuuksien kesken. Esimerkiksi fotonit eivät kulje lainkaan siirappiulottuvuudessa, ja niinpä ne sinkoilevat avaruusulottuvuuksia pitkin valonnopeudella. Sitä vastoin W- ja Z-hiukkaset kulkevat osittain siirappiulottuvuudessa ja niinpä niiden nopeus avaruusulottuvuuksissa on valonnopeutta pienempi. Tämä taas näyttää meille siltä, että hiukkasella on massaa. Siirappiulottuvuus ikään kuin ”hidastaa” hiukkasta ja antaa sille samalla massan. Ilman siirappiulottuvuutta kaikki hiukkaset liikkuisivat valonnopeudella paikasta toiseen olematta koskaan levossa. Aaltokuvauksessa tämä tarkoittaa sitä, että massiivisten hiukkasten kytkös Higgsin kentän kanssa näyttäytyy niiden pitkittäisinä aaltoina. Hiukkaset siis hieman ”lainaavat” Higgsin kenttää ja naamioivat sen pitkittäisiksi aalloiksi.

Samantyyppinen ilmiö esiintyy suprajohtavassa materiaalissa. Suprajohtava materiaali hylkii magneettikenttiä, ja näin ollen se yrittää tukahduttaa siinä liikkuvien fotonien oskilloivan magneettikentän. Tämä johtaa siihen, että fotoneille ilmestyy pitkittäisiä aaltoja ja näyttävät massiivisilta eivätkä liiku enää valonnopeudella. Suprajohtavuus rikkoo siis spontaanisti sähkömagneettisen kentän mittasymmetrian. Higgsin kenttä toimii siis samalla tavalla kuin suprajohtavuus.

Higgsin kenttä ja hiukkasten kytkös siihen määrää siis hiukkasten massan ja myös sen miksi heikko ja sähkömagneettinen vuorovaikutus näyttävät meille niin erilaisilta, vaikka pohjimmiltaan ne ovat saman voiman, sähköheikon vuorovaikutuksen, aiheuttamia hiukkasten välisiä vuorovaikutuksia.

Massan arvoitus

Onko nyt massan arvoitus ratkaistu ja uusia tuloksia mahtuu enää Higgsin hiukkasen energian desimaaleihin? No ei sentään. Massan arvoitus on vain lakaistu seuraavan maton alle. Nyt kysymys kuuluukin mikä antaa massan Higgsin hiukkaselle? Standardimalli ei ennusta Higgsin hiukkasen massaa vaan se esiintyy teoriassa annettuna parametrinä. Jotta Higgsin hiukkasen massa pystyttäisiin selittämään tarvitaan uusia teorioita. Näiden teorioiden valossa Higgsin hiukkanen saa massansa vaikuttaessaan Higgsin kvanttikentän, mutta myös muiden hiukkasten kvanttikenttien kanssa, joista suurinosa lisää massaa Higgsin hiukkaselle ja loput vähentävät massaa Higgsin hiukkaselta. Niinpä nyt havaittu Higgsin hiukkasen massa(/energia) — 125 GeV — on itseasiassa yllättävän pieni. Kolme suosituinta teoriaa, jotka selittävät Higgsin hiukkasen keveyden ovat supersymmetria, komposiittiteoria ja ylimääräiset ulottuvuudet. Supersymmetria selittää Higgsin hiukkasen massan postuloimalla uusia hiukkasia, superpartnereita, jotka ovat ikäänkuin tavallisten hiukkasten peilikuvia. Nämä hiukkaset kumoavat lähes kokonaan tavallisten hiukkasten vaikutuksen Higgsin hiukkasen massaan ja jättävät jäljelle vain kevyen Higgsin hiukkasen. Komposiittiteoria taas selittää Higgsin hiukkasen massan postuloimalla vielä kevyempiä hiukkasia, jotka yhdessä muodostavat hiukkasen, joka muistuttaa standardimallin Higgsin hiukkasta. Higgsin hiukkasen massa rakentuisi tässä tapauksessa kevyempien hiukkasten massasta ja energiasta joka pitää ne koossa. Toisaalta on myös mahdollista, että Higgsin hiukkanen todella painaa huomattavasti enemmän kuin havaittu 125 GeV, mutta se vain piileskelee ylimääräisissä ulottuvuuksissa.

Vaikka hiukkasfysiikan standardimalli on yksi historian paikkaansa pitävimmistä teorioista on selvää, että kyseessä ei ole ns. kaiken teoria. Yleinen suhteellisuusteoria ja 96% maailmankaikkeudesta (pimeä energia ja pimeä aine) ei ole selitettävissä standardimallin avulla. Tutkimalla tarkemmin juuri havaitun Higgsin hiukkasen ominaisuuksia, jotka taas peilaavat Higgsin kvanttikentän ominaisuuksia, tutkijat voivat saada osviittaa maailmankaikkeuden muista epäselvistä ominaisuuksista: onko maailmankaikkeudessa kaksi kertaa enemmän hiukkasia, vai koostuuko aine sittenkin vielä pienemmistä osasta, vai elämmekö neljän ulottuvuuden sijaan useampi ulottuvuuksisessa maailmankaikkeudessa?

Lähteet:

Gian Francesco Giudice: A Zeptospace Odyssey

http://www.symmetrymagazine.org/article/october-2012/what-else-could-the-higgs-be

http://profmattstrassler.com/

Advertisements

Trackbacks & Pingbacks

Kommentit

  1. * Aapo says:

    Siirappiulottuvuudesta +1

    ”kaksoisparadoksi” -> ”kaksosparadoksi”. Sisarusten pitää olla kaksoset joiden samanikäisyys on ikäänkuin invariantti, jotta heidän eri-ikäisyytensä olisi selvästi paradoksi.

    ’Invariantti’-termiä käytetään myös muun muassa algoritmien (oikeellisuuden) analysoinnissa. Ohjelmointikielten kielellä sanottuna invariantin muuttujan arvo on sama funktiota (tai muuta koodilohkoa) kutsuttaessa ja sen jälkeen.

    Päiväys: 4 years, 6 months ago
  2. * Karri says:

    Jeh, korjattu. Wikipediassa oli ihan artikkelikin tuosta.

    Päiväys: 4 years, 5 months ago


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: