Edellisessä merkinnässä mainitsin, että virtuaalisten hiukkasten vaikutusta tyhjään tilaan ei täysin ymmärretä. Palaan nyt tyhjän tilan energiaan, joka on hiukkaskosmologian kiistellyimpiä kysymyksiä.

Klassisessa fysiikassa avaruus sinällään ei mitenkään vaikuta aineen käyttäytymiseen, se vain tarjoaa areenan missä temmeltää. Yleisessä suhteellisuusteoriassa sen sijaan aika-avaruus on aktiivinen toimija, se vuorovaikuttaa aineen kanssa ja voi käyttäytyä hassusti ihan yksinäänkin, ilman mitään ainetta. Yksinkertaisin esimerkki tästä lienee se, että tyhjällä tilalla on tietty energiatiheys, joka vaikuttaa avaruuden laajenemiseen.

Tyhjön energiatiheys on myös kvanttikenttäteorioiden oleellinen piirre. Asiaa selitetään joskus siten, että aina on väistämättä läsnä hiukkas-antihiukkaspareja, jotka kiiruhtavat olemattomuudesta olevaiseen ja takaisin. Tämä kuva on ehkä hieman harhaanjohtava, koska virtuaalisten hiukkas-antihiukkasparien kuplintaan ei itseasiassa liity energiaa. Hiukkaskenttien värähtelyiden ja tyhjön energiatiheyden suhde on monisyisempi.

Totta kuitenkin on, että realistiset kvanttikenttäteoriat ennustavat, että tyhjöllä on monimutkainen rakenne, johon liittyy jokin energia. Ne eivät kuitenkaan pysty kertomaan, kuinka iso tuo energia on. Tilanne on sama kuin hiukkasten massojen suhteen: Standardimalli kertoo, että hiukkasilla on massat, mutta ei sitä, mitkä ne ovat.

On kyllä olemassa kvanttikenttäteorioita, joissa tyhjön energia on määrätty. Malleissa, joissa vallitsee rikkoutumaton supersymmetria, tyhjön energia on nolla. Supersymmetriassa hiukkasten ja niiden partnerien vaikutus tyhjön energiaan on yhtä iso, mutta vastakkaismerkkinen: sen minkä hiukkanen tuo, partneri vie pois. Hieno tulos. Mutta koska superpartnereita ei ole nähty, supersymmetrian pitää olla rikkoutunut, ja silloin tasapaino häviää, eikä hiukkasten ja niiden partnerien työmäärä ole enää sama.

Ei tiedetä, onko supersymmetriaa olemassa, ja realistisemmissa supersymmetrisissä malleissa, joissa otetaan gravitaatio huomioon, tilanne on sama kuin Standardimallissa: tyhjöllä on joku energiatiheys, mutta ei tiedetä mikä se on.

Pitkään ajateltiin, että on olemassa jokin toistaiseksi tuntematon periaate, joka säätää tyhjön energian nollaksi, joten asiasta ei tarvitsisi huolehtia. Vuoden 1998 supernovahavaintojen jälkeen on kuitenkin katsottu, että ongelma pitää kohdata silmästä silmään. Havaintojen mukaan maailmankaikkeuden laajeneminen on kiihtynyt viimeisen muutaman miljardin vuoden aikana. Yleisimmin omaksutun selityksen mukaan vastuussa on tyhjön energia. Muitakin mahdollisuuksia on, joten voi olla että tyhjön energia on oikeasti nolla, mutta ne eivät ole yhtä suosittuja.

Havainnot ja teoria sopivat hyvin yhteen siinä mielessä, että kvanttikenttäteorioiden mukaan tyhjöllä on energiaa, suhteellisuusteorian mukaan tyhjön energia johtaa kiihtyvään laajenemiseen ja havainnot osoittavat että laajeneminen tosiaan kiihtyy. Mutta harva on tilanteeseen tyytyväinen.

Yksinkertaisten supersymmetristen mallien ennustama tyhjön energia on samaa suuruusluokkaa kuin partnerien massojen välinen ero, mikä on vähintään miljardi miljardia miljardia miljardia miljardia kertaa isompi kuin se tyhjön energia, joka sopisi havaintoihin. Realistisissa malleissa taas ei ole ennustetta lainkaan - vaikea sanoa, onko tämä parempi vai huonompi tilanne. Kaikenlaisia järkeviä ja monenlaisia järjettömiä syitä on esitetty sille, miksi tyhjön energia, tai ainakin sen vaikutus maailmankaikkeuden laajenemiseen, olisi niin kohtuuttoman pieni, mutta kukaan ei ole keksinyt mitään täysin vakuuttavaa.

Vaikuttaa siltä, että tarvitaan joku kvanttimekaniikan ja yleisen suhteellisuusteorian yhdistämiseen liittyvä teoreettinen läpimurto, ennen kuin ymmärrämme yksinkertaisimman mahdollisen tilan ominaisuuksia, ainakin mitä gravitaatioon tulee.

LHC-päivitys:: Kaikkien hiukkasfyysikoiden sankari on palannut kuvioihin tänä viikonloppuna. Säde kiertää taas, kuukaudessa pitäisi päästä suunniteltuun 7 TeVin maksimitörmäysenergiaan.

Sähköheikon symmetriarikon yhteydessä mainitsin tyhjön rakenteesta, ja kommenteissa on kysytty virtuaalisista hiukkasista, joten kirjoitan lisää tästä kiehtovasta aiheesta.

Klassisessa fysiikassa avaruus on vain näyttämö, jolla aine temmeltää. Tyhjän käsite on yksinkertainen: otetaan pois kaikki aine, ja jäljelle jää pelkkä lava, jolla ei tapahtu mitään. Todellisuus ei kuitenkaan ole näin siistiä: itse asiassa teatterin ovia ei voi sulkea eikä lavaa tyhjentää. (Tämän klassisen kuvan muista puutteista, ks. Maljan jäljillä.)

Nykyään ymmärrämme kvanttikenttäteorioiden avulla, että aine on avaruuden täyttävien kvanttikenttien värähtelyjä. Jokaista hiukkaslajia vastaa oma kenttänsä. Esimerkiksi yksittäinen elektroni on paikallinen, liikkuva kukkula elektronikentässä, kuin aalto veden pinnalla. Vastaavasti fotonihiukkanen on väre fotonikentässä, ja niin edelleen. Voidaan siten kutsua “tyhjöksi” tilannetta, jossa kaikissa hiukkaskentissä on pienin mahdollinen määrä värähtelyjä.

Toisin kuin klassisessa fysiikassa, kvanttimekaniikassa värähtelyistä ei koskaan pääse kokonaan eroon. Ei ole mitään täysin tasaista ja kaikilta puolin täysin määrättyä: aina on jotain epävarmaa ja muuttuvaa. Esimerkiksi kvanttikentissä voi syntyä hetkeksi hiukkasia jotka pian palaavat olemattomuuteen. Tällaisia hiukkasia sanotaan virtuaalisiksi, koska niitä ei voi havaita suoraan, ainoastaan sen kautta, miten ne vaikuttavat todellisiin hiukkasiin. Virtuaaliset hiukkaset ovat kvanttikenttäteorian keskeinen osa: laskut ja havainnot niiden käytöksestä pitävät yhtä miljardisosan tarkkuudella. Kuitenkaan virtuaalisten hiukkasten vaikutusta tyhjään tilaan ei täysin ymmärretä (mistä lisää toiste lisää), ja niiden tulkintaan liittyy kiintoisia käsitteellisiä epäselvyyksiä.

Sähkömagneettisen vuorovaikutuksen voi ymmärtää fotonien vaihtamisena. Esimerkiksi se, että kaksi elektronia hylkii toisiaan, johtuu siitä, että yksi heittää virtuaalisen fotonin toiselle, joka ottaa sen kiinni. On helppoa laskea kvanttikenttäteorian sääntöjen mukaan, millainen tästä hiukkasvaihdosta johtuva sähkömagneettinen voima on.

Mutta sen sijaan, että menisi suoraan elektronilta toiselle, virtuaalinen fotoni voikin matkalla hajota hetkeksi elektroni-positroni-pariksi joka yhdistyy takaisin fotoniksi ennen elektroniin törmäämistään. Tai yhtä hyvin fotoni voi hajota kahdeksi hiukkaspariksi - tai miten moneksi tahansa. Jotta voisi laskea sähkömagneettisen voiman tarkalleen, pitäisi ottaa huomioon kaikki virtuaalihiukkasen äärettömän monet mahdollisuudet matkalla ilkamointiin. Merkittävin tekijä on kuitenkin siisti käytös ilman mitään parinmuodostusta, ja mitä enemmän fotoni matkalla riemuitsee, sitä pienempi sen vaikutus sähkömagneettiseen voimaan on. Käytännössä tarvitsee ottaa huomioon vain yksinkertaisimmat vaihtoehdot fotonin käyttäytymiselle matkalla elektronilta toiselle - aiemmin mainittuun miljardisosan tarkkuuteen pääseminen laskuissa on silti valtava urakka.

Kun virtuaalisia hiukkasia ei koskaan havaita suoraan, voi kysyä ovatko ne todellisia. Onko sellainen todellista, jonka voi havaita ainoastaan sen kautta, miten se vaikuttaa muihin asioihin, ei ikinä itsessään? Kvanttikenttäteoriassa virtuaaliset hiukkaset ovat oikeastaan laskennallinen apuväline. Esimerkiksi kahden elektronin välisen vuorovaikutuksen tarkka laskeminen on mahdotonta, joten lasku pilkotaan palasiksi, joista jokaista voidaan kuvata tavalla, joka näyttää omituisesti käyttäytyvien hiukkasten vaihtamiselta. Näitä palasia voidaan havainnollistaa Feynmanin diagrammien avulla; alla kuva siitä, miten kaksi elektronia vaihtaa fotonin.

Feynmanin kehittämien kuvaajien yksinkertainen tulkinta viettelee ajattelemaan, että virtuaalisissa hiukkasissa olisi jotain todellista. Mutta jos esimerkiksi kahden elektronin välisen vuorovaikutuksen voisi laskea täsmällisesti, ei tarvittaisi näitä kuvia eikä sanoja virtuaalisista hiukkasista.

Fyysikot puhuvat virtuaalisista hiukkasista kuin ne olisivat olemassa, mutta harva miettii ovatko ne todellisia. Yleensä ajatellaan, että fysiikan kannalta merkitystä on vain sillä, mitä voi havaita, mikään muu ei ole paikalleen kiinnitettyä; käsitys, joka saattaa olla liian naiivi.

Jos määritellään, mitä tarkoittaa se, että jokin on todellista, niin fysiikka voi kertoa, täyttävätkö virtuaaliset hiukkaset tämän kriteerin. Mutta viime kädessä kysymys siitä, mitä sanomme todelliseksi kuuluu filosofian piiriin. Fysiikka voi toki paljastaa (ja joskus ratkaista) filosofisia ongelmia, pakottaa tarkentamaan käsitteitä sekä tarjota mielekkään viitekehyksen abstraktin tuntuisille kysymyksille, joista olisi muuten vaikea saada otetta - kuten sille, mitä on tyhjyys.

Aloitin fysiikan tekemisen kymmenen vuotta sitten, ryhtyessäni väitöskirjatyöhön Helsingissä vuoden 2000 alussa. Silloin kymmenen vuotta saattoi tuntua pitkältä ajalta. Tohtorin tutkinnon saamista kutsutaan valmistumiseksi, mutta se on vasta alku. Tutkimus on jatkuvaa oppimista ja uuden selvittämistä.

Tutkijan aikajänne on lyhyt: artikkeleita pitää julkaista jokunen vuodessa, ja paikka vaihtuu parin vuoden välein. Vaikka mielessä pitäisi pidemmän aikavälin tavoitteita, ei haastavampiin tutkimuskohteisiin tarttuminen välittömien meriittien keräämisen keskellä ole aina helppoa.

Joskus kuulee puhuttavan sellaisesta suunnitelmasta, että kulkisi alkuvaiheessa helppoja reittejä pysyäkseen mukana leikissä, ja siirtyisi oikeasti kiinnostavien ongelmien pariin vasta pysyvän paikan turvallisesta huomasta. Mutta päivittäisen ajattelun ja toiminnan muuttaminen monien vuosien jälkeen on vielä vaikeampaa kuin sen tekeminen riskien keskellä, enkä tiedä onko kukaan tällaisessa strategiassa todella onnistunut.

Väiteltyäni vuonna 2002 olen ollut Oxfordin hiukkasteoriaryhmässä (vaikka enpä minä siellä hiukkasia juuri tutkinut), CERNin teoriayksikössä ja Geneven yliopiston kosmologiaryhmässä. Eräs vaihe tuntuu päättyvän, kun palaan kesäkuussa jokuseksi vuodeksi Helsinkiin fysiikan laitokselle.

Kaikki näiden vuosien aikana tehty ei ole arvokasta, mutta olen tyytyväinen siitä, miten olen saattanut keskeisen tutkimusaiheeni (rakenteiden muodostumisen vaikutus maailmankaikkeuden laajenemiseen) alkuun ja edennyt sen parissa. Ei ole vielä selvää kuinka hyödylliseksi tämä suunta osoittautuu, mutta tutkimusta ei voi ohjata tieto päämäärästä, vaan päätökset tehdään polun joka haarassa. Pitäisin mielelläni ohjenuorana pianisti Glenn Gouldin sanoja:

“The purpose of art is not the release of a momentary ejection of adrenaline but rather the gradual, lifelong construction of a state of wonder and serenity.”

Olen palannut CERNiin kahdeksi kuukaudeksi. Kuulemani mukaan työhuoneiden kattolampuissa olevaa materiaalia pidetään nykyään niin myrkyllisenä, että sähkömiehillä ei ole lupaa vaihtaa valaisinputkia niiden kuluttua loppuun. Joissakin toimistoissa on siis hivenen pimeää. Tuolini on kehno, ja toivon että vessoissa olisivat istuimet paikoillaan, mutta minulla on kyllä valoa (pienen odottamisen jälkeen sain jopa pöytälampun).

CERN ei ole kuuluisa toimistoidensa takia; minä pidän tästä paikasta.

LHC meni nukkumaan eilen seitsemältä illalla Suomen aikaa, oltuaan hereillä marraskuusta asti.

Kiihdytin toimi ripeästi ja (toisin kuin viime vuonna) sujuvasti. Marraskuun 20. päivä oltiin samassa tilanteessa kuin edellisenä vuonna, eli hiukkassuihkut saatiin kiertämään kehää. Törmäyksiin päästiin 23. päivä, ja viisi päivää sen jälkeen nähtiin ensimmäinen tieteellinen artikkeli, joka käytyään läpi vertaisarvioinnin varsinaisesti julkaistiin joulukuun 10. päivä - kolme viikkoa uudelleenkäynnistyksestä.

Joulukuun 8. päivä LHC laski jalkansa uudelle maaperälle ohittaessaan maailman toiseksi merkittävimmän hiukkaskiihdyttimen, Tevatronin, tärmäysten energiassa. Kiihdyttimellä on nyt tehty niin korkeaenergisiä törmäyksiä, 2.4 TeVin energialla, kuin tämänhetkisellä kokoonpanolla on mahdollista. Tammikuussa LHC:n magneetteja päivitetään, jotta päästään korkeammalle, 3.5 TeVin säde-energiaan. Hiukkasten on määrä törmäillä taas helmikuussa, ja mikäli tahti jatkuu, saatetaan tuohon maksimiin saapua pian.

Protoneiden törmäyttäminen on sotkuista puuhaa, joten tarvitaan paljon törmäyksiä, että hiukkassuovasta löytyisi kaivattu aarre. Tähän mennessä LHC:ssä on ollut yli miljoona törmäystä, mikä saattaa kuulostaa suurelta määrältä. Normaalin toiminnan suunniteltu taajuus on kuitenkin 600 miljoonaa törmäystä sekunnissa, eli toistaiseksi on oltu hyvin hissukseen. Mitään uutta ei olisi voitu löytää, mutta noiden miljoonan törmäyksen romuja tutkimalla on kyllä nähty hiukkasia, jotka jo tunnetaan, ja saatettu siten tarkistaa, että kaikki toimii kuten pitää.

Tekniikan puolesta asiat ovat siis hyvin, mutta uutta fysiikkaa saa odottaa vähintään vuoden, ehkä muutaman. Parinkymmenen vuoden suunnittelun ja rakentamisen jälkeen se tuntuu lyhyeltä ajalta, joka menee ohi ennen kuin huomaakaan.

Olen maininnut supersymmetriasta pimeästä aineesta ja fysiikan estetiikasta kirjoittaessani. Nyt on ajankohtaista kertoa aiheesta enemmän, supersymmetria kun on LHC:n odotetuimpia tutkimuskohteita.

Haluaisin aloittaa selvittämällä symmetrian käsitettä fysiikassa, mutta taidankin mennä suoraan asiaan. Hiukkasfysiikan Standardimalli on onnistunut ennustamaan oikein kaiken, mitä hiukkaskiihdyttimissä on mitattu vuosikymmenien ajan. Tiedetään kuitenkin, että Standardimalli ei toimi mielivaltaisen suurilla energioilla, joten jossain vaiheessa jotain uutta löytyy. Ei ole varmuutta siitä, kuinka korkealle pitää mennä, ennen kuin raja tulee vastaan, mutta yleisesti odotetaan, että Standardimalli lakkaa pätemästä LHC:n luotaamilla energioilla.

On lukuisia erilaisia ideoita, malleja ja teorioita siitä, mitä Standardimallin tuolta puolen löytyy, ja supersymmetria on yksi suosituimpia. Supersymmetrian selittämiseksi pitää ensin kertoa, että on olemassa kahdenlaisia hiukkasia: bosoneja ja fermioneja. Kaksi samanlaista fermionia, vaikkapa kaksi elektronia, ei voi olla samassa tilassa, kun taas bosoneita voi pinota miten paljon vain. Tämän ominaisuuden takia aine rakentuu fermioneista, bosonit menisivät vain lomittain. Bosonien pääasiallinen rooli on välittää viestejä ainehiukkasten välillä, eli ne ovat vastuussa vuorovaikutuksista.

Supersymmetrian idea on se, että jokaisella havaitulla ainehiukkasella on supersymmetrinen partneri, jolla on sama sähkövaraus, massa ja muut ominaisuudet, mutta joka onkin bosoni jos hiukkanen oli fermioni, ja toisin päin. Fermionien superpartnereiden nimen eteen on tapan laittaa kirjain s, kenties vitsinä englannin kielen sanaparista he-she, esimerkiksi elektronia vastaa selektroni. Bosonien partnereiden nimen loppuun laitetaan pääte -ino, niinpä esimerkiksi W-bosonia vastaa wino - nimi, jonka hyväksytyksi saaminen tieteellisissä julkaisuissa ei ollut aivan helppoa.

Suoraviivainen tapa soveltaa supersymmetriaa on ottaa Standardimalli ja lisätä superpartnerit. Massojen saamiseksi kaikille hiukkasille pitää vielä kaataa mukaan neljä Higgsin hiukkasta. Jos tämä teoria toteutuisi sellaisenaan luonnossa, niin ainakin selektroni olisi löydetty jo kauan sitten: elektronin kaltaisen sähköisesti varatun stabiilin hiukkasen löytäminen ei totisesti ole vaikeaa. Hätä ei kuitenkaan ole tämän näköinen: ehkä supersymmetria toteutuu korkeilla energioilla, mutta on rikki niillä alueilla, joilla on toistaiseksi kiihdyttimissä liikuttu. Tässä ei ole mitään kummallista: onhan Standardimallissa symmetria sähkömagneettisen ja heikon vuorovaikutuksen välillä rikkoutunut alhaisilla energioilla Higgsin takia. Kun lisätään superpartnereiden ja uusien Higgsin hiukkasten lisäksi supersymmetrian rikkoutuminen, saadaan pienen teoreettisen säätämisen jälkeen (kollegoille tiedoksi, että puhun R-pariteetista) Minimaalinen Supersymmetrinen Standardimalli, MSSM.

Kun supersymmetria on rikki, superpartnereiden ominaisuudet ovat muuten samat kuin tavallisten hiukkasten, massat vain ovat isompia. Tämä selittää sen, miksi niitä ei olisi havaittu: raskaampia hiukkasia on vaikea tuottaa kiihdyttimissä, ja ne myös hajoavat hyvin nopeasti, eivätkä jää ympäriinsä havaittaviksi. Massojen ero on sitä isompi, mitä korkeammalla energialla symmetria rikkoutuu.

Toisin kuin sähköheikon symmetrian tapauksessa, supersymmetrian rikkoutusmismekanismista ei ole varmuutta. Yleisesti kuitenkin ajatellaan, että rikkoutumisen skaala on samaa luokkaa kuin Higgsin kentän massa, joten superpartnerit näkyisivät LHC:ssä. (Moni fyysikko itseasiassa sanoisi, että Higgsin hiukkasen alhainen massa vaatii supersymmetriaa selityksekseen, mikä on mielestäni hieman liioiteltua - tästä kenties toiste lisää.) Mikäli LHC ei näe merkkiäkään supersymmetriasta, niin ideaa ei voi vielä kuopata -rikkoutumisskaala saattaa vain olla LHC:n tavoittamattomissa- mutta silloin MSSM kyllä näyttää rumalta. Teoriaa kun pitää säätää kohdasta jos toisestakin, jotta sen saisi LHC:ltä piiloon.

Jos on tosin aivan rehellinen, niin täytyy sanoa, että MSSM:n suhteen ollaan jo nyt aika huonossa jamassa. Yleisesti odotettiin, että supersymmetria näyttäytyisi joko Fermilabin Tevatron-kiihdyttimessä tai CERNin LEP-kiihdyttimessä, jota varten rakennetussa tunnelissa LHC nyt työskentelee. Esimerkiksi yksi MSSM:n hyviä puolia on se, että baryogenesis, joka ei toimi Standardimallissa, voisi toimia MSSM:ssä. Jos näin kuitenkin olisi, niin MSSM:n olisi odottanut löytyvän jo LEPissä, nyt tilanne näyttää baryogenesiksen suhteen aika epätoivoiselta. Samaan tapaan MSSM:ssä on luonnollinen pimeän aineen kandidaatti neutraliino, joka on fotonin, Higgs-bosonin ja Z-bosonin superpartnereiden yhdistelmä. Pimeää ainetta on kuitenkin etsitty jo pitkään, ja on kummaa, että neutraliinoista ei ole kuulunut mitään.

Kaikkiaan voi sanoa, että supersymmetrialla on ollut monia tilaisuuksia näyttäytyä, mutta se ei ole käyttänyt niistä ainuttakaan. Se mahdollisuus, että supersymmetria saattaa olla aivan kulman takana tekee LHC:stä kutkuttavan. Jotkut ovat asiasta jopa täysin varmoja, ja jos supersymmetriaa ei löydy, niin monelta menee pakka sekaisin. Mutta on lukuisia muitakin teorioita tuntemattomasta maasta Standardimallin tuolta puolen. Pian tiedämme, onko mikään niistä tosi.

Viime vuoden syyskuussa CERNin Large Hadron Collider käynnistettiin juhlahumun saattelemana. Hiukkaset kirmasivat kiihdyttimen ympäri onnistuneesti, mutta laite jouduttiin noin viikon jälkeen sulkemaan onnettomuuden takia. Onnettomuudesta ja korjaustoimenpiteistä lisää Higgsin metsästäjältä ja Jesteriltä.

LHC:tä on otettu uudelleen käyttöön viime viikkojen aikana, ja viimein eilen perjantaina 20. päivä hiukkassuihkut kiersivät jälleen koko matkan: LHC on virallisesti palannut kehään. Tästä erästä odotetaan onnistuneempaa kuin ensimmäisestä, ja törmäyksiin on määrä päästä viikon kuluttua.

Uudelleenkäynnistyksestä on maanantaina 23. päivä kello 15 Suomen aikaa lehdistötilaisuus, jota voi seurata osoitteessa http://webcast.cern.ch/. Kysymyksiä voi lähettää Twitterillä osoitteeseen @CERN.

Kiihdyttimen toimintaa voi seurata hetki hetkeltä CMS-koeaseman kommentaarisivulla. Pidemmällä aikavälillä luotettava lähde hiukkasfysiikan uutisille on Not Even Wrong, villejä huhuja voi katsastaa Jesteriltä ja yksityiskohtaisen analyysin suhteen Tommado Dorigo on ylittämätön.

Merkittävin lähitulevaisuuden tapahtuma on ensimmäiset korkeaenergiset hiukkastörmäykset 3.5 TeVin energialla, joihin saavuttaneen helmikuussa. Ensimmäisen vuoden aikana tuskin löytyy mitään uutta: vaikka energia on ennennäkemättömän korkea, kestää aikaa, ennen kuin saadaan kerättyä tarpeeksi monta törmäystä, että kohinasta paljastuu signaali. Mutta viimeistään muutamassa vuodessa LHC johtaa hiukkasfysiikan uuteen aikakauteen, luultavasti löytämällä Higgsin hiukkasen ja toivottavasti paljastamalla vielä tuntemattomia salaisuuksia.

Päivitys (24/11/09): Ensimmäiset törmäykset saatiin aikaan eilen, 23. päivä. Yllä mainitsemallani CMS-aseman kommentaarisivulla oli törmäyksestä detektorin antama kuvakin, mutta nyt sivu ei olekaan enää kaikkien katsottavissa. Julkinen statusraportti on luvassa torstaina 26. päivä, kello 17.00 Suomen aikaa. Sitä voi seurata osoitteessa http://www.cern.ch/webcast .

Päivitys 2 (24/11/09): Kuva törmäyksestä CMS-koeasemalla tuli onneksi poimittua talteen; se löytyy täältä. Silmä lepää.

Päivitys 3 (01/12/09): Ensimmäinen LHC-dataan perustuva tieteellinen artikkeli on ilmestynyt, ALICE-koeaseman mittausten perusteella. (Sitä tosin ei ole vielä julkaistu tieteellisessä lehdessä; julkaisuprosessista tarkemmin täältä.)

Kaikilla sähkövarauksen omaavilla hiukkasilla on antihiukkanen, jolla on vastakkainen varaus, mutta joka on muuten samanlainen. Esimerkiksi negatiivisesti varattua elektronia vastaa positiivisesti varattu positroni. Sama pätee muihinkin vuorovaikutuksiin liittyviin varauksiin, esimerkiksi vahvan vuorovaikutuksen tuntevilla gluoneilla on antihiukkaset, vaikka niillä ei ole sähkövarausta. Tunnetuista hiukkasista vain fotonilla ja Z-bosonilla ei varmasti ole antihiukkasta (neutriinoista ei vielä tiedetä).

Näkemässämme maailmankaikkeudessa on ainoastaan tavallista ainetta, ei antiainetta, pulsareissa, supernovissa ja muissa väkivaltaisissa ympäristöissä syntyviä hyvin pieniä määriä lukuunottamatta. Kun hiukkanen ja antihiukkanen kohtaavat, ne annihiloituvat eli hajoavat säteilyksi. On selvää, miksi antiainetta ei ole: se annihiloituisi tavallisen aineen kanssa. Sen sijaan on kummallista, miksi ainetta sitten on olemassa. Standardimallissa aine ja antiaine ovat melkein (mutta eivät aivan) symmetrisessä asemassa, mutta jos niitä olisi maailmankaikkeudessa yhtä paljon, molemmat tuhoutuisivat. Pitää olla tapa kallistaa vaakakuppia siten, että ainetta onkin enemmän.

(En tässä yhteydessä käsittele pimeää ainetta, joka saattaa koostua yhtä suuresta määrästä ainetta ja antiainetta: annihilaatiosta tulevan säteilyn etsiminen onkin yksi tapa löytää pimeä aine.)

Aineen ja antiaineen tasavertaisuuden rikkomista maailmankaikkeudessa kutsutaan nimellä baryogenesis eli baryonisen aineen synty; baryoninen aine on kvarkeista koostuvaa tavallista ainetta. Baryogenesis on eräs kosmologian merkittävistä tutkimusaiheista, pimeän aineen, pimeän energian ja inflaation ohella.

Ensiksi voi kysyä, miksi baryogenesistä tarvitaan: ehkä ainetta vain on maailmankaikkeudessa enemmän alusta lähtien, ja se siitä? Kosmologinen inflaatio kuitenkin pyyhkii pois kaiken, mitä sitä ennen tapahtui, joten epäsuhdan pitää syntyä inflaation jälkeen, kuitenkin joskus maailmankaikkeuden ensimmäisen sekunnin aikana.

Andrei Sakharov esitti vuonna 1967 yleiset ehdot, jotka hiukkasfysiikan ja kosmologian mallin pitää toteuttaa baryogenesiksen onnistumiseksi. Ensinnäkin hiukkasten vuorovaikutusten pitää olla sellaisia, että baryonien miinus antibaryonien lukumäärä voi muuttua. Yhtä itsestäänselvää on se, että malli ei voi olla täysin symmetrinen hiukkasten ja antihiukkasten suhteen. Tämä ei kuitenkaan riitä: mallin pitää olla sellainen, että jos vaihtaa hiukkaset ja antihiukkaset keskenään sekä lisäksi oikean ja vasemman, niin maailma näyttää erilaiselta, eli hiukkasten peilaamista ei saa olla mahdollista kumota maailman peilaamisella. Lisäksi maailmankaikkeuden aineen pitää olla jossain vaiheessa poissa termisestä tasapainosta, jotta eroa pääsisi syntymään.

Standardimallissa kaikki Sakharovin ehdot toteutuvat. Baryonien lukumäärä voi muuttua korkeissa lämpötiloissa, ja aineen ja antiaineen ero on pieni, mutta ei olematon. Termisen epätasapainon tarjoaa sähköheikko symmetriarikko. Maailmankaikkeuden laajetessa lämpötila laskee, ja sen vajotessa tiettyyn kriittiseen arvoon (noin miljoona miljardia Celsiusta) Higgsin kentän tila muuttuu siten, että se antaakin hiukkasille massat. Tapahtuu samoin kuin vettä jäähdytettäessä: nollaan asteeseen tultaessa veden olomuoto muuttuu toisenlaiseksi, kiinteämmäksi, ja muutoksen aikana terminen tasapaino rikkoutuu. Higgsin kentän olomuodon muuttuessa voi aineen ja antiaineen välille syntyä epäsuhta, joka jäätyy paikalleen muutoksen mentyä ohi.

Kaunis tarina, mutta ei koko totuus. Standardimallissa on mahdollista tarkkaan laskea, mitä Higgsin kentän olomuodon muutoksen aikana tapahtuu, ja tuloksena on, että aineen ja antiaineen eroa kehittyy liian vähän. Ongelmana on se, että Higgsin kentän olomuodon muutos ei ole yhtä raju kuin veden jäätyminen, joten sen aikana ei saa paljoa rikottua. Kuten pimeän aineen tapauksessa, tämä epäonnistuminen on suuri saavutus: siitä, että näemme enemmän ainetta kuin antiainetta tiedetään, että on olemassa uutta hiukkasfysiikkaa. Erilaisia baryogenesistä kuvaavia malleja on kehitetty lukuisia, ja useimmissa tapahtuma liittyy Higgsin tilan muutokseen, mutta joskus kiertotien kautta. (Standardimallin laajennuksista, ainakin supersymmetrisestä sellaisesta, toiste enemmän.)

Baryogenesistä kuvaavan mallin pitää tuottaa oikein havaittu aineen ja antiaineen epäsuhta - tai siis aineen ja fotonien suhde, koska antiaine on annihiloitunut fotoneiksi. Jokaista protonia ja neutronia kohden on maailmankaikkeudessa noin miljardi fotonia. Nykymaailmankaikkeuden tavallinen aine on vain miljardisosa alkuperäisestä, melkein kaikki tuhoutui ensimmäisen sekunnin aikana.

On helppoa saada yksi luku oikein (etenkin kun tietää etukäteen, mikä se on), joten aineen ja fotonien suhteen perusteella ei voi vielä juurikaan sulkea baryogenesismalleja pois. Mutta sikäli kun baryogenesis liittyy Higgsin kentän tilan muutokseen, LHC saattaa tarjota lisävalaistusta, Higgsin tutkiminen kun on LHC:n keskeinen tavoite. LHC saattaa paljastaa, miksi ainetta on olemassa - tai osoittaa, että kertomus onkin monimutkaisempi.

Hiukkasfysiikan Standardimalli kuvaa kaikkia tunnettuja vuorovaikutuksia gravitaatiota lukuunottamatta ja sisältää kaikki maan päällä havaitut hiukkaset. Standardimallin lukuisat ennusteet on varmennettu suurella tarkkuudella ja löytöretket sen syvyyksiin on tunnustettu usealla Nobelin palkinnolla. Melkein kaikki Standardimallin palaset on löydetty, vain yksi puuttuu: Higgsin hiukkanen.

Higgsin kentällä on keskeinen rooli Standardimallissa. Se on vastuussa sähköheikosta symmetriarikosta, josta kirjoitin viime merkinnässä. Tämä ilmiö saa sähkömagneettisen ja heikon vuorovaikutuksen käyttäytymään eri tavoin, vaikka ne ovat osa samaa kokonaisuutta. Samalla lyönnillä Higgsin kenttä antaa kaikille Standardimallin hiukkasille massat, tai ehkä ennemmin luo sen vaikutelman, että niillä olisi massat. Higgsin kenttä täyttää koko avaruuden tasaisesti, ja hiukkaset vuorovaikuttavat sen kanssa. Mitä voimakkaammin hiukkaset Higgsin kenttään tarraavat, sitä isompi massa niillä näyttää olevan. Karkeana vertauksena tarjottakoon se, että käveleminen tahmeassa nesteessä, vaikkapa öljyssä, on vaikeaa, ikään kuin liikemassa olisi isompi. (Analogia ei ulotu niin pitkälle, että voisi ymmärtää, miksi hiukkasten gravitaatiomassakin muuttuu.)

(En voi olla mainitsematta, että itseasiassa tavallisen, protoneista, neutroneista ja elektroneista koostuvan aineen massasta vain prosentti tai pari tulee Higgsin kentästä. Valtaosa massasta on peräisin kvarkkeja protoneiksi ja neutroneiksi sitovasta vahvasta vuorovaikutuksesta. Mutta se on toinen tarina.)

Voidaan siis sanoa, että hiukkasten massat ovat epäsuora todiste Higgsin kentästä, ja Higgs osallistuu kiihdyttimissä tehtyihin törmäyksiin muutenkin. Mutta Higgsin hiukkasta ei ole suoraan havaittu, vaikka sitä on kauan etsitty, niin CERNissä kuin muuallakin. Standardimallin viimeinen osa on löytymättä, mutta myöskään poikkeamia Standardimallista ei ole näkynyt, vaikka niitäkin on etsitty kymmeniä vuosia. Tilanne on synnyttänyt satoja erilaisia Standardimallin laajennuksia, joissa on mukana on uusia hiukkasia, vuorovaikutuksia tai ulottuvuuksia. Ei ole pystytty sanomaan, mikä näistä laajennuksista olisi oikein, kun kokeet ovat vain varmentaneet sen, mitä jo tunnetaan. Standardimalli on liian suuri menestys.

Tiedämme kuitenkin, että LHC muuttaa tilanteen, olettaen että kaikki toimii tekniikan puolesta kunnolla. Tämän voi sanoa täydellä varmuudella, koska Standardimalli ei ole matemaattisesti ristiriidaton LHC:n luotaamilla energioilla ilman Higgsin hiukkasta. Toisin sanoen, LHC löytää joko Higgsin hiukkasen tai jotain uutta fysiikkaa Standardimallin tuolta puolen. Yleisen toivon mukaan LHC paljastaa molemmat, ja monissa malleissa uusi fysiikka liittyy kiinteästi Higgsin kenttään ja sähköheikkoon symmetriarikkoon.

Higgsin kentällä on myös mahdollinen rooli maailmankaikkeuden rakenteen synnyssä. Lisäksi se, että maailmankaikkeudessa on enemmän materiaa kuin antimateriaa saattaa liittyä Higgsin piikkiin menevään sähköheikkoon symmetriarikkoon - tästä lisää joskus toiste.

LHC:n kokeissa ei ole kyse ainoastaan Standardimallin viimeisen irtopalan löytämisestä. Fysiikan onnistuneimman teorian lopullista varmentamista voisi pitää merkittävänä saavutuksena, mutta tärkeämpää on, että Higgs liittyy elimellisesti Standardimallin tuolla puolen olevaan tuntemattomaan maahan. LHC:tä ei ole rakennettu ylistämään Standardimallia, vaan hautaamaan se.

Olen useimmiten kirjoittanut fysiikan nykyisistä tutkimuskohteista, jotka sijaitsevat tuntemattoman rajalla, kuten pimeästä aineesta ja pimeästä energiasta. Tällaisista aiheista lukiessa saattaa tulla sellainen vaikutelma, että emmepä taida paljoa mistään tietää. Vaihteeksi käsittelen jotain sellaista, minkä tunnemme erinomaisen hyvin.

LHC:n on määrä käynnistyä uudelleen ensi kuussa, odotellessa kerron siitä, mitä tuon kiihdyttimen oikein odotetaan löytävän, ja pohjustukseksi siitä, mitä jo tiedetään. Toimittajat kirjoittavat mustista aukoista, ylimääräisistä ulottuvuuksista ja muusta eksotiikasta. Se, mitä LHC todella tulee varmasti luotaamaan, on niinkutsuttu sähköheikko symmetriarikko, jolla on keskeinen asema fysiikan nykyisessä yhtenäisteoriassa.

Yhtenäisteoria on matemaattinen rakenne, joka liittää aiemmin erillisinä pidetyt ilmiöt yhteen yksinkertaisen kokonaisuuden eri puoliksi. Fysiikan kehitys 1600-luvulta alkaen on ollut yhtenäisteorioiden voittokulkua. Newtonin muotoilema klassinen fysiikka yhdisti kuunalisen ja kuunylisen maailman lait sekä liikkeen ja levon, ja pystyi selittämään suuren määrän ilmiöitä peruslaeista lähtien. Toinen virstanpylväs oli sähkön ja magnetismin yhdistäminen 1800-luvulla sähkömagnetismin teoriassa, joka osoittautui yllättäen selittävän myös valon, sähkömagneettisena säteilynä. Hiukkasfysiikan yhtenäisteoriat saavuttivat toistaiseksi korkeimman huippunsa 1970-luvulla Standardimallissa, joka on vaatimattoman suureellisen nimensä veroinen. (Yhtenäisteorioista, estetiikasta ja matkasta eteenpäin, katso Muusat ja seireenit.)

Standardimalli kattaa kolme vuorovaikutusta: sähkömagnetismin, vahvan vuorovaikutuksen ja heikon vuorovaikutuksen. Nämä yhdessä selittävät kaiken mitä maan päällä on havaittu, gravitaatiota lukuunottamatta. Sähkömagnetismi on vastuussa kaikista arkisen skaalan ilmiöistä. Vahva vuorovaikutus sitoo kvarkkeja protoneiksi ja neutroneiksi ja niitä sitten atomiytimiksi.

Heikko vuorovaikutus on mielenkiintoinen tapaus: sen kantama on erittäin lyhyt (10^(-18) m), ja arkiskaalalla heikko vuorovaikutus näkyy lähinnä siinä, että se saa aikaan pitkäikäisten isotooppien radioaktiivisia hajoamisia. Vaikka heikko vuorovaikutus näyttää hyvin erilaiselta kuin sähkömagneettinen, ne ovat vain eri puolia sähköheikosta vuorovaikutuksesta, ja liittyvät yhteen niin tiiviisti kuin sähkö ja magnetismi kuuluvat toisilleen. Siitä, että nämä sähköheikon vuorovaikutuksen kaksi puolta näyttävät tyystin erilaisilta on vastuussa Standardimallin paljon ennakkojulkisuutta saanut mutta toistaiseksi havaintoja välttänyt palanen: Higgsin hiukkanen.

Higgsin tärkeä rooli liittyy Standardimallin tyhjön rakenteeseen. Tyhjö tarkoittaa perustilaa, alinta mahdollista energiatilaa. Klassisessa fysiikassa tyhjö on yksinkertainen: otetaan pois kaikki hiukkaset, ja jäljelle jää vain tylsä avaruus. Kvanttiteorioissa on kuitenkin aina fluktuaatioita joista ei pääse eroon - vaikkapa hiukkas-antihiukkaspareja, jotka syntyvät hetkeksi ja palaavat olemattomuuteen. Olisikin syytä puhua ennemmin “tyhjimmästä” kuin “tyhjästä” tilasta.

Kvanttiteorioiden tyhjö on kiehtova aihe, josta voisi kirjoittaa paljon, mutta tässä yhteydessä oleellista on vain se, että Standardimallilla on kaksi erilaista perustilaa, joissa Higgsin kenttä on asettunut eri tavalla. Alhaisilla energioilla kenttä on tilassa, jossa se kytkeytyy eri lailla sähköheikon vuorovaikutuksen eri osiin. Osa sähköheikkoa vuorovaikutusta välittävistä hiukkasista vuorovaikuttaa vahvasti Higgsin kentän kanssa, niin että ne takertuvat siihen, eivätkä voi matkata kauas. (Vähän niinkuin valo ei pysty matkaamaan kauas Auringon sisällä olevassa plasmassa, koska se vuorovaikuttaa sähkövarausten kanssa.) Niitä vastaava sähköheikon vuorovaikutuksen osa jää heikoksi. Osa jää Higgsiltä vapaaksi, ja sitä vastaava hiukkanen on fotoni, joka välittää sähkömagneettista vuorovaikutusta.

Sellaisilla energioilla, joita LHC:ssä saavutetaan, kentän tila kuitenkin muuttuu siten, että se kohteleekin kaikkia sähköheikon vuorovaikutuksen osia samalla tapaa. Tällöin sähkömagneettinen ja heikko vuorovaikutus näyttäytyvät paljaana, ja ilman Higgsin vaatteita näkee, että ne ovat samanlaisia. Asiaa voi havainnollista ajattelemalla vaikkapa sähkökenttää, joka joko osoittaa kaikkialla samaan suuntaan, tai on epäjärjestyksessä siten, että se kääntyy eri paikoissa minne sattuu. Ensiksi mainitussa tapauksessa yksi suunta saa erikoiskohtelua, jälkimmäisessä kaikki suunnat ovat samassa asemassa. (Kollegani antakoot anteeksi tämän kömpelön sepustuksen kauniista Higgsin mekanismista, joka ansaitsisi parempaa.)

Tätä Higgsin tilan muutosta kutsutaan nimellä sähköheikko symmetriarikko, ja sen tutkiminen on LHC:n merkittävimpiä tavoitteita. Siitä mitä LHC:ltä on syytä odottaa, Standardimallin valitettavasta menestyksestä ja Higgsin roolista lisää ensi merkinnässä.