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.)

Kommentit (3)

vesak

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.

Syksy Räsänen

vesak:

Pääsääntöisesti en vastaa kysymyksiin, jotka eivät liity merkinnän aiheeseen tai jotka kommentoivat turhan vanhoja merkintöjä.

Siipien levittämistä - blogit ...

[...] uusimmat tulokset; erityisellä innolla odotetaan Higgsin hiukkaseen liittyviä uutisia. Joulukuussa julkistettiin vuoden 2011 dataan perustuva analyysi, joka vihjasi vahvasti Higgsin hiukkasen [...]

Seuraa 

Maailmankaikkeutta etsimässä

Blogin päivittäminen on päättynyt.

Syksy Räsänen on teoreettinen fyysikko Helsingin yliopistossa. Syksy kirjoittaa kosmologiasta, hiukkasfysiikasta ja niiden tekemisestä, tai ainakin asioista sinne päin.

Teemat

Blogiarkisto