Hiukkaskiihdytin Large Hadron Collider (LHC) käynnistetään CERNissä Sveitsin ja Ranskan raja-alueella ensi keskiviikkona 10.9. kello 10-11 aamulla Suomen aikaa. Kyseessä on merkittävin koe hiukkasfysiikassa -kenties jopa koko fysiikassa- vuosikymmeniin.

(Minua haastatellaan YleX-radiossa LHC:n tiimoilta tiistaina 9.9. noin kello 12.45 Suomen aikaa. Update: seitsemän minuutin haastattelu löytyy täältä. Lisää LHC:stä myös Higgsin metsästäjät -blogin Mikko Voutilaisen haastattelussa Tekniikka & Talous -lehdessä.)

LHC on eräs ihmiskunnan historian mittavimmista teknologisista projekteista. Sen rakentaminen on vienyt tuhansien ihmisten työpanoksen yli kymmenen vuoden ajan, ja mukana on satoja instituutteja yli 50:stä maasta. Teoreetikkona olen ulkopuolinen mitä tekniikkaan, tietokoneisiin ja insinööritaitoon tulee, mutta LHC on vaikuttava jo mittakaavansa puolesta.

LHC:n toiseksi isoin detektori, CMS, painaa 12 500 tonnia, enemmän kuin Eiffel-torni. LHC:ssä on 7600 kilometriä suprajohtavaa kaapelia, siis enemmän kuin etäisyys maapallon keskipisteeseen. Jos lasketaan kaapelin sisällä olevat filamentit erikseen, pituutta kertyy yli 1 500 miljoonaa kilometriä, eli filamentit voisi kietoa maapallon ympäri yli 37 000 kertaa. Minusta pelkästään katsominen sinne sadan metrin aukkoon, jota myöten CMS-detektori laskettiin maan sisään, oli alkeellisella tavalla koskettavaa.

LHC:n käynnistyminen on tietysti mediatilaisuus, eikä mitään ihmeellistä näy heti. Menee useita viikkoja ennen kuin laitteet on kalibroitu, ja vähintään kuukausia ennen kuin mitään löytyy. Tuloksia on syytä odottaa aikaisintaan 2009, huonoimmassa tapauksessa muutaman vuoden kuluttua. Silti tapahtuma tuntuu merkittävältä: nyt LHC siirtyy rakennusprojektista fysiikan kokeeksi.

Kukaan ei tiedä, mitä LHC löytää. CERNin julkisuusmateriaalissa luvataan, että jotain ihmeellistä haaviin varmasti jää. Tämä ei ole täysin perusteetonta. Ensinnäkin LHC törmäyttää hiukkasia energioilla, joita ei ole aiemmin kiihdyttimissä saavutettu, eli luotaa sellaista fysiikan aluetta, jonne ei ole koskaan ennen suoraan nähty. Lisäksi tiedetään, että hiukkasfysiikan Standardimalli ei enää LHC:n energioilla pysy kasassa pelkästään niillä hiukkasilla, jotka on jo löydetty. Jos mitään uutta ei näkyisi, se olisi uskomatonta sinällään, vähän kuin Apollo 11 ei laskeutuessaan olisikaan törmännyt kuuhun.

Fysiikan kannalta pahin tilanne on, jos LHC löytää vain Standardimallin puuttuvan osasen, Higgsin hiukkasen. (Jonka kutsuminen englanninkielisissä tiedotusvälineissä nimellä 'the God particle' on muuten jumalattoman ärsyttävää.) Tämäkin olisi Nobelin arvoinen löytö, mutta se vain varmistaisi jotain, minkä jo ymmärrämme.

Hiukkasfyysikot kuitenkin yleisesti uskovat, että LHC paljastaa jotain aivan uutta Higgsin lisäksi tai sen sijaan. Ehdotuksia on lukuisia, yksityiskohtaisia malleja on kymmeniä tai satoja, mutta mikään ideoista ei ole saanut yksimielistä hyväksyntää. Monen teoreetikon asenne LHC:hen on enemmän odottava ja utelias kuin innostunut ja itsevarma.

Vaikka LHC ei osoittaisi oikeaa teoriaa, ainakin se auttaa raivaamaan pois niitä, jotka ovat väärin. LHC tarjoaa näkymän tuntemattomien vuorten tuolle puolen, ja olipa kaukainen laakso millainen tahansa, ei sitä voi odottaa sydän aivan tyynenä.

Kommentit (12)

Jusa

Onko musta aukko löpinät täyttä huuhaata? Itsestäni on ja olisi kiva saada mielipiteesi.

Syksy Räsänen

Tiettyjen teorioiden mukaan on olemassa ylimääräisiä ulottuvuuksia, joiden koko on tarpeeksi iso (noin 10^(-20) m), että niitä voidaan luodata LHC:ssä. Joissain tällaisissa teorioissa LHC:n törmäyksissä todella syntyy lyhytikäisiä mustia aukkoja. Mustien aukkojen havaitsemista on tutkittu useissa tieteellisissä artikkeleissa.

Henkilökohtaisesti pidän epäluultavana, että nämä teoriat pitävät paikkansa. Jos ylimääräisiä ulottuvuuksia on olemassa, se energiaskaala, millä mustia aukkoja syntyy törmäyksissä, voi olla mitä tahansa yhden TeVin ja 10^(16) TeVin väliltä. (TeV on 10^(12) elektronivolttia, energian yksikkö, jota en aio tässä selventää.) Mustista aukoista ei ole näkynyt vihjettäkään aiemmissa kiihdyttimissä, joten tiedämme, että skaalan pitää olla vähintään 10 TeV. LHC:n maksimienergia on 14 TeV. Ei ole mitään syytä, miksi mustien aukkojen tuottamisenergia osuisi juuri tähän pieneen väliin.

Syksy Räsänen

Pekka Virtanen:

En tiedä, onko LHC:n mittauksista apua protonin säteen määrittämisessä.

Leone

Entä jos käykin niin, ettei LHC:n myötä löydetä yhtään uutta hiukkasta? Silloin kyseessä lienee turhien laitteiden maailmanennätys. Itse asiassa, koska edellisen kerran on löydetty uusi hiukkanen kiihdyttimissä?

Arto Ã….

Leone:

Ei LHC siinäkään tapauksessa varmaan turha ole. Turhin (tai ainakin turhauttavin) on varmaan juuri Syksyn mainitsema tilanne, että löydetään vain Higgsin bosoni. Jos mitään ei löydetä, niin menee varmaan aika monet teoriat ihan uusiksi, mikä lienee ansio sinänsä. Hyvähän sitä väärät teoriat on vääriksi todistaa, vaikka kuinka mukavia ja vakiintuneita ovatkin.

Voi toki olla, että vaikka Higgsiä ei LHC:llä löydetä, niin se ei vielä todistaisi sitä, että Higgsiä ei ole olemassa. Se on taas asia erikseen. Sitten on varmaan rakennettava vielä suurempi kiihdytin.

Syksy Räsänen

Jos Standardimalli pitää vielä paikkansa, niin LHC löytää Higgsin hiukkasen. Myös Standardimallin suosituimmassa laajennuksessa, Minimaalisessa Supersymmetrisessä Standardimallissa (MSSM), Higgsin hiukkanen löytyy varmasti. (Tai siis Higgsin hiukkasia löytyy ainakin yksi - MSSM:ssä ja muissa Standardimallin laajennuksissa niitä on useampia.)

LHC löytää joko Higgsin hiukkasen tai jotain toistaiseksi tuntematonta fysiikkaa, tai molempia.

Edellinen löydetty alkeishiukkanen oli top-kvarkki, joka jäi kiinni Fermilabissa 1995.

Pekka

Frank Wilczek joka toimii MIT:ssä vastasi kysymykseeni mitä hän odottaa LHC:ltä, viittaamalla julkaisuun "Anticipating a New Golden Age". Tämä löytyy netistä frankwilczek.com
Tsekatkaapa, mielenkiintoista luettavaa!!
Hyvä Syksy, tosi kiva että meillä on sinun kaltainen tieteen "popularisoija" mm. tämän blogin kautta, kiitos! Mitä enemmän tiedämme, sitä enemmän ymmärrämme miten vähän tiedämme.

Leone

Vielä tuosta hiukkasten "löytämisestä". Eikös se perustu siihen, että tehdään lukemattomia kokeita ja saadaan valtava määrä dataa (hiukkasten ratoja magneettikentässä), jota analysoimalla saadaan sitten viitteitä uusista hiukkasista?

Tästä herää kysymys, kuinka yksikäsitteisiä datan tulkinta on? Joku hiukkanenhan on kai "löydetty" vasta vuosien päästä, kun vanhaa dataa on katsottu uudelleen ja uudelleen. Tarkoitan tällä sitä, että ohjaako standardimalli mahdollisesti datan tulkintaa siihen suuntaan, että siihen liittyvät hiukkaset "löydetään", kunhan vain dataa sopivasti tulkitaan. Tällainen mahdollisuus on aina vahvasti olemassa, kun havainnoidaan epäsuorasti.

Syksy Räsänen

Leone:

Tulkinnanvara löytämisessä on kvantitatiivinen kysymys, joka liittyy siihen, paljonko dataa on kerätty. Tyypillisesti datassa näkyy ensin pieni poikkeama siitä, mitä tunnettujen hiukkasten ja vuorovaikutusten perusteella odotetaan. Jos poikkeaman tilastollinen merkitys on pieni (eli havainto ei ole kovin selkeä), sen voi yleensä tulkita monella tapaa. Tässä vaiheessa voi ilmestyä useita tieteellisiä julkaisuja, joissa esitetään signaalin viestivän eri asioita.

Kun dataa kerätään enemmän, tulkinnanvara pienenee. Hiukkasfysiikka ei tässä suhteessa eroa muista empiirisen tutkimuksen alueista. Hiukkasfysiikassa data-analyysi tosin on erittäin kehittynyttä, ja standardi sille, milloin voidaan sanoa, että joku hiukkanen on tosiaan havaittu on hyvin korkea.

Jättiläisen paluu - blogit - T...

[...] kohinasta paljastuu signaali. Mutta viimeistään muutamassa vuodessa LHC johtaa hiukkasfysiikan uuteen aikakauteen, luultavasti löytämällä Higgsin hiukkasen ja toivottavasti paljastamalla vielä tuntemattomia [...]

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