21
 |
Maailmankaikkeutta etsimässä
Syksy Räsänen 14.12.2011 |
| Ensimmäinen vainu | |
Eilen kirjoitin ensimmäisestä maan päällä tehdystä havainnosta, joka kurkottaa hiukkasfysiikan Standardimallin tuolle puolen, tänään on vuorossa Standardimallin viimeinen pala, Higgsin hiukkanen.
CERNin LHC-koe on toiminut koko vuoden intensiivisesti. Kiihdyttimessä on yksi hiukkassuihku, mutta se menee neljän eri havaintoaseman läpi. Näistä ALICE ja LHCb ovat erikoistuneita havaintolaitteita, kun taas toiset kaksi, ATLAS ja CMS, tekevät laajempia mittauksia, ja etsivät muiden muassa Higgsin hiukkasta. Taustoja tarjoaa vaikkapa Higgsin metsästäjä. Tänään ATLAS ja CMS pitivät tieteellisen seminaarin siitä mitä Higgsin hiukkasesta on saatu selville sitten viime kesän.
Laitteet ovat toimineet erinomaisesti ja keränneet noin viisinkertaisen määrän dataa alkuvuoteen verrattuna, noin sata kertaa enemmän kuin vuonna 2010. Nyt dataa on niin paljon, että on jo kiinnostavaa sanottavaakin. Yhdysvalloissa toiminut Tevatron-kiihdytin kilpaili vielä viime vuonna LHC:n kanssa monien vuosien etumatkan turvin, mutta nyt sen voi unohtaa: Tevatron suljettiinkin lopullisesti syyskuun lopussa.
ATLAS ja CMS ovat tehneet paljon työtä analyysin eteen. Higgsiä koskevan datan kerääminen lopetettiin tältä vuodelta vasta kuusi viikkoa sitten, mutta kahden havaintoaseman valtava datamäärä on jo nyt analysoitu. Tämänpäiväinen seminaari oli suunnattu fyysikoille, mutta alan ulkopuolinenkin pystyy näkemään, miten monia yksityiskohtia pitää ottaa huomioon ja kuinka huolellisesti asioita syynätään. (Seminaari lienee pian näkyvissä täällä.) On myös huomattavaa, miten kriittisiä kollegoiden kysymykset ovat: tulosten kanssa saa olla tarkkana, jos haluaa saada ne yleisesti hyväksyttyä. (Ilmeisesti tilaisuutta seuraavat toimittajat oli laitettu eri saliin, jotta voitaisiin keskittyä asiaan.)
ATLAS ja CMS lähestyvät data-analyysiä kahdella tavalla. Ensinnäkin, jos Higgsin hiukkasta ei ole olemassa, niin kokeissa ei pitäisi löytyä mitään siihen viittaavaa. Voidaan siis katsoa, kuinka yhteensopiva data on sen hypoteesin kanssa, että Higgsiä ei ole. Toisaalta, jos Higgs on olemassa, niin kokeissa pitäisi näkyä hiukkanen, jolla on juuri oikeat ominaisuudet: Standardimalli ennustaa kaikki yksityiskohdat paitsi Higgsin massan.
Ensimmäinen tehtävä on helpompi: katsotaan vain, että kokeissa ei näy mitään ylimääräistä. ATLAS ja CMS voivat nyt sulkea pois Higgsin hiukkasen suurimmalta osalta massan arvoja. Pienillä massan arvoilla tämä ei kuitenkaan onnistu: havainnoissa näkyy jotain, eikä ole mahdollista sanoa, etteikö kyseessä olisi uusi hiukkanen.
Onkin sitten vaikeampi kysymys, vastaavatko ylimääräiset signaalit Higgsin hiukkasta. Jos hiukkastörmäyksessä syntyy Higgsin hiukkanen, se hajoaa ennen ehtimistään havaintolaitteiden detektoreihin, joten ainoastaan hiukkasen hajoamistuotteet on mahdollista nähdä. Higgs voi hajota useilla eri tavoilla, esimerkiksi kahdeksi fotoniksi tai sitten elektroni-positronipariksi yhdessä neutriino-antineutriinoparin kanssa. Näitä eri vaihtoehtoja kutsutaan hajoamiskanaviksi. Standardimalli ennustaa tarkalleen, mitä eri kanavilla pitäisi näkyä. Kaikkien kanavien signaalien pitää olla sopusoinnussa, ennen kuin hiukkanen voidaan sanoa tunnistetuksi. Lisäksi ATLAS- ja CMS-kokeet tekevät mittauksensa ja analysoivat havaintonsa toisistaan riippumattomasti. Ryhmien välinen kilpailu kannustaa suhtautumaan epäilevästi toisten tuloksiin ja valmistamaan omansa huolella.
Sekä ATLAS että CMS näkevät eri hajoamiskanavilla signaaleja, jotka ovat yhteensopivia Higgsin hiukkasen kanssa. Toistaiseksi yksittäisten kanavien havainnot eivät ole kovin merkittäviä, mutta kun ne yhdistetään, niin todennäköisyys sille, että kyseessä ei ole Higgsin hiukkanen on ATLAS-kokeen havainnoille suunnilleen 1:3000 ja CMS-kokeen havainnoille 1:100. Kokeiden saamat massojen arvot ovat yhteensopivia. On kenties hieman huolestuttavaa, että Standardimallin Higgsiltä ei olisi odottanut näin merkittävää signaalia nyt kerätyllä datamäärällä, mutta ehkä meillä on ollut tuuria.
Tilannetta hieman monimutkaistaa se, että jos katsoo suurta määrää satunnaisia heilahteluita, niin jostain taatusti löytää sen, mitä odottaa. Jos otetaan huomioon se, että jossain muualla datan seassa olisi voinut olla hiukkaselta näyttäviä signaaleja sattumalta ja olisimme ilahtuneet niistä yhtä paljon, todennäköisyydet tippuvat arvoihin 1:50 ja 1:20. Toisaalta, jos kyseessä on Higgsin hiukkanen, se on suunnilleen siellä missä on odotettukin, joten ehkäpä nämä ovat liian varovaisia arvioita.
Higgsiä on etsitty pitkään, ja nyt on kenties saatu ensimmäinen vihi sen lymypaikasta. Vaihtelevia arvioita havaintojen merkityksestä voi lukea kollegoiltani: Today’s Higgs Results, Visual on Higgs, it seems…, Firm Evidence Of A Higgs Boson At Last! ja Higgs Update Today: Inconclusive, As Expected.
CERNin virallinen kanta on, että tulokset ovat “fantastisia ja alustavia” ja että Higgsiä ei ole vielä löydetty eikä osoitettu olemattomaksi. Tänä vuonna kerätyn datan analyysi ei ole täysin valmis, mutta katseet suuntautuvat jo ensi vuoteen. Jos kyseessä todella on Higgs, niin vuonna 2012 siitä saadaan vakuuttavia ja riippumattomia todisteita yksittäisillä hajoamiskanavilla, ei vain niiden yhdistelmällä: sitten asiaa ei tarvitse epäillä. Jos Higgsiä ei olekaan olemassa, niin senkin saamme ensi vuonna selville. Kuten eräs teoreetikko seminaarissa sanoi: “Kiitos tästä joululahjasta, toivottavasti ette ota sitä pois.”
Päivitys (22/12/11): Minua haastateltiin aiheesta Radio Rockin Heikelä Korporaatiossa. (Seitsemän minuutin haastattelu alkaa kohdasta 14.57.)
15. joulukuuta 2011 kello 5.40
Ollakko vai ei olla. Suurella rahalla yritetään tehdä tiedettä. Ehkä lopultakin voidaan ymmärtää että rahalla ei kaikkea voi tehdä, vaikka niin halutaankin. Ehkä saame tuloksia tai ehkä saamme erillaisia tuloksia. Voimme kysyä oliko tai ehkä olisiko tulokset mahdollisesti merkittäviä. Uskoakseni emme saavuta mitään jolla olisi merktystä. Vain innotatiivisellä yhyeistyöllä voi saavuttaa merkittäviä tuloksia. Gern voi olla heikko vastaus, “ehkä tai jopa, luultavasti, kun, jos, mahdollisesti, tulevaisuudessa” samaa paskaa syötetään tuutin täydeltä, muttta missä on tulokset? Avaruus on tuonut innovatiivisiä tuloksia todella paljon ja tuo edelleen. Sähkö virran ja magnetismin vaikutuksia ei kaikkia tunneta, eikä aika-avaruuden vaikutusta magnetismiin tai sähkövirran eli elektronien liikkeeseen haluta tutkia koska rahat ovat jo gernissä “Saksa”, toki EU on syypäänä asiassa. Vaikka ns: hiukkanen löydettäisiin niin onko sillä mitään merkitystä tieteen kannalta joka toisi hyötyä meille! Ei ole koska soveltuvuuksia saisi odotella vähintään 10 - 20 vuotta. Usa on sovelluksia tuonut mutta rahat loppui. Onkin odotettavissa Venäjän, Kiinan, Intian sovellutuksuia. Syksy varmaan tietää mihin Higginsin sovellusta käytetään tulevaisuudessa.
15. joulukuuta 2011 kello 14.41
Paine Higgsin hiukkasen löytämiseen on ainakin kova. Miljardien kiihdytininvestointia kun on vaikea perustella siten, että kyllä se on tosi tärkeä, koska voitiin varmistua että standardimalli on susi.
Eli eiköhän se Higgsin hiukkanen sieltä spagettimössöstä ennen pitkää “löydy”…
15. joulukuuta 2011 kello 16.56
Leone:
Standardimallin toimivuus on todettu kokeissa vuosikymmenten ajan. Nyt halutaan eniten löytää jotain, mitä se ei selitä. Jos löydetään vain Standardimallin Higgs, se on suuri pettymys.
15. joulukuuta 2011 kello 17.18
Syksy:
Miksi mallin ennustama hiukkanen olisi pettymys? Ei kai hiukkasen löytyminen voi olla suurempi pettymys, kuin löytymättä jääminen?
15. joulukuuta 2011 kello 20.42
Leone:
Jos löydetään vain Standardimallin Higgs, ei opita paljoa uutta. Ks. http://www.tiede.fi/blog/2009/10/30/viimeinen-pala
15. joulukuuta 2011 kello 21.04
Odotan että tämä kone löytää jotain mitä ei voida selittää millään nykyisellä teorialla, silloin oltaisiin taas uusien ja outojen ilmiöiden jäljillä… Ehkä.. On se mielenkiintoista että mitä pienempiin ja lyhytikäisimpiin ilmiöihin tunkeudutaan, sitä isommat vehkeet tarvitaan sen havaitsemiseksi milläkin todennäköisyydellä. Onkohan niin että luonnosta löytyy kuitenkin loppujen lopuksi “laki” mikä sanoo että ääretön miinus ääretön = 0?
16. joulukuuta 2011 kello 10.45
Syksy.
Kirjoitit “Jos löydetään vain Standardimallin Higgs, ei opita paljoa uutta.”
Käsittääkseni ilmaisimista kaksi etsii Higgsin bosonia. Kvarkki-gluoni massa on kai yhtenä kiinnostuksen kohteena, mikäli muistan kaimasi (?) luennon kallioplanetaariossa oikein. Otsikoissa ollut neutriinojen “ylinopeus” on sekin jossain tekemisissä LHC:n kanssa, vaikka kai se olisi ollut havaittavissa edelliselläkin myllyllä.
Voisitko edes parilla sanalla valottaa, mitä muuta kuin Higgsiä Cernissä tutkitaan? Vai onko Higgsin bosoni muuhun tutkimukseen nähden tosiaan niin ylivertaisen merkityksellinen kuin päivälehtien tiedeuutiset antavat ymmärtää?
Kysyisin myös, että jos noilla energiatasoilla ei löydy mitään uutta, niin voisiko se johtua siitä, ettei uutta löydettävää hiukkasfysiikassa juurikaan enää ole???
16. joulukuuta 2011 kello 10.53
Olisiko mahdollista ajatella, että alkeishiukkasen massa ilmaisee vain hiukkasen tilan eikä yksilöisi hiukkasta. Esimerkiksi kahden hiukkasen törmäyksessä ne eivät muuttuisikaan toisiksi hiukkasiksi vaan hiukkasten tila ja massa muuttuisivat ?
16. joulukuuta 2011 kello 14.34
Pekka P.:
Kvarkki-gluoni-plasma on tosiaan ALICE-detektorin tutkimusaihe: http://www.tiede.fi/blog/2010/11/14/vapauden-tiheikkoon .
Neutriinokokeilla ei ole LHC:n kanssa mitään tekemistä.
LHC tutkii Higgsin lisäksi yleisemmin sähköheikon symmetrian rikkoutumista sekä mm. supersymmetriaa, tekniväriä ja baryogeneesiä. Ks.
http://www.tiede.fi/blog/2009/10/19/rikkoutumisen-kauneus
http://www.tiede.fi/blog/2009/12/06/piiloutuneet-puolisot
http://www.tiede.fi/blog/2010/12/12/suljettu-kirjokansi
http://www.tiede.fi/blog/2009/11/16/aineen-synty
Hiukkasfysiikassa on useita asioita, joiden tarkka selitys on vielä löytämättä, kuten inflaatio, pimeä aine ja niin edelleen. On kuitenkin mahdollista, että LHC:n energioilla ei nähdä mitään teoreettisesti uutta, vain Standardimallin Higgs.
16. joulukuuta 2011 kello 14.41
yxpena:
Jos kyseessä on alkeishiukkanen, niin sen massa ei voi muuttua. Jos massa onkin joku toinen, kyseessä on eri hiukkanen. Jos hiukkasella on alirakennetta (esimerkiksi protoni koostuu kvarkeista), niin silloin nämä osaset voivat kyllä järjestyä eri tavalla ja hiukkasen massa voi muuttua: sanotaan, että hiukkanen siirtyy “viritettyyn tilaan” kun se saa lisää energiaa, joka varastoituu näiden osasten väliseen asemointiin. Tämän takia ydinfysiikassa on suuri määrä erilaisia hiukkasia, joista osa on muiden hiukkasten viritettyjä tiloja.
16. joulukuuta 2011 kello 19.43
Alkeishiukkasissa ainoa aisteillemme tuttu asia on massa ja jospa sen takia ajattelemmekin alkeishiukkaset väärällä tavalla. Samalla tavoin oli aikoinaan yötaivasta katsellessa ilmiselvää, että kaikki taivaankappaleet kiertävät maapalloa. Jospa hiukkasen massa ei muodostukaan alirakenteidensa massoista ja asemointien “sidosenergioista” vaan esimerkiksi jostain useampiulotteisesta rotaatiosta. Törmäyksissä “rotaatioakselit” muuttuisivat mikä nykyfysiikassa tarkoittaisi massojen muuttumista eli hiukkasten muuttumista toisiksi hiukkasiksi. Jotain tällaista tarkoitin hiukkasen tilan muuttumisella.
18. joulukuuta 2011 kello 1.16
Sekä hidas että painava massa ovat fysiikan suuria ongelmia. Esimerkiksi W-bosonien massa standardimallissa syntyy niiden absorboidessa, “syödessä” Higgsin kentän kokemassa spontaanissa symmetriarikossa tarvittavan massattoman Nambun-Goldstonen bosonin. Hiroomi Umezawan skenaariossa taas NG-bosonien kondensoituessa ilmenevät alkuperäiset, SSB:ssä “varastoituneet” vapausasteet. Yhdellä niistä voi vielä “syötynäkin” olla painavuuden aiheuttava ominaisuus..
Jos Higgsin massa on samanlaista alkuperää, sitä ei ehkä löydy, koska suuri törmäysenergia “vapauttaa” painavuuden tekijän Higgs-kompleksista.
22. joulukuuta 2011 kello 16.20
[…] Rockin Heikelä Korporaatio haastatteli minua Higgs-tuloksista viime viikolla (haastattelu alkaa kohdasta 14.57 ja on seitsenminuuttinen). En ole aamuisin […]
3. huhtikuuta 2012 kello 21.18
Miten neutriinot kohdistetaan paikasta toiseen, vai onko niitä riittävästi että havaitaan joka puoöella. Voiko saman tehdä saman tuhannen kilometrin tarkkuuudella alfahiukkasille. ?
Vesa
ps. Teet hyvää työtä.
4. huhtikuuta 2012 kello 10.08
vesak:
Pääsääntöisesti en vastaa kysymyksiin, jotka eivät liity merkinnän aiheeseen tai jotka kommentoivat turhan vanhoja merkintöjä.