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.

Kommentit (2)

Aineen synty - blogit - Tiede.fi

[...] 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. [...]

Siipien levittämistä - blogit ...

[...] Higgsin hiukkasen syntyminen törmäyksissä on todennäköisempää, ainakin jos hiukkasfysiikan Standardimalli pitää paikkansa. Nyt jännitetään sitä, riittääkö kerätty data Higgsin löytyneeksi [...]

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