LHC on törmäyttänyt hiukkasia hieman yli vuoden, ja on nyt kiinni helmikuuhun asti. Innokkaimmat odottavat löytöjä jo ensi vuonna. Koska hiukkasfysiikan Standardimalli ei toimi ilman Higgsin hiukkasta enää LHC:n luotaamilla energioilla, muutaman vuoden kuluessa löytyy väistämättä joko Higgs tai jotain muuta, olettaen että laitteiden kanssa ei tule vaikeuksia.

Standardimallin yleisesti luultavimpana pidetty laajennus perustuu supersymmetriaan, jossa kaikilla Standardimallin hiukkasilla on tasavertainen (mutta raskaampi) supersymmetrinen partneri. Supersymmetria on on saavuttanut 1980-luvulta alkaen niin vakaan aseman, että useat hiukkasfyysikot uskovat sen olevan olemassa, ja odottavat vain, koska LHC varmistaa heidän odotuksensa.

Supersymmetrian eräs motivaatio on se, että ollakseen sopusoinnussa havaintojen kanssa Higgsin hiukkanen ei saa olla tunnettuja Standardimallin hiukkasia paljoa raskaampi. Alkeishiukkaset kuitenkin vuorovaikuttavat keskenään ja muuttavat toistensa massoja. Higgsin hiukkasen massa seuraa raskainta hiukkasta, niin että sen odottaisi olevan yhtä raskas kuin tämä. Voitaisiin siis päätellä, että ei olisi olemassa mitään hiukkasia, jotka olisivat raskaampia kuin nyt tunnetut.

Tiedetään kuitenkin, että Standardimalli ei ole viimeinen sana fysiikasta, koska se ei kuvaa kaikkia havaintoja eikä päde mielivaltaisen lyhyillä etäisyyksillä. Jos uusien hiukkasten massat ovat isompia kuin nykyisten, niin on luonnollista, että niitä ei ole havaittu, koska kiihdytinten energiat eivät ole riittäneet niitä saavuttamaan. Sen sijaan on vaikea ymmärtää, miten voisi olla mahdollista, että uusia hiukkasia ei olekaan, tai että ne olisivat kaikki kevyitä. (Tästä on kyllä mielenkiintoisia ehdotuksia, joista kenties myöhemmin lisää.) Miksi siis Higgs on niin kevyt? Tämä on hieman samanlainen pulma kuin tyhjön energian kohdalla: sen odottaisi olevan niin iso kuin isoin teoriasta löytyvä energiaskaala, mutta jostain syystä havaittu arvo on paljon pienempi.

Supersymmetrian taustalla on viehättävää matematiikkaa, mutta sen suosio fyysikoiden keskuudessa perustuu siihen, miten se ratkaisee tämän ristiriidan odotusten ja havaintojen välillä Higgsin massan suhteen. Supersymmetriassa hiukkaset ja niiden superpartnerit vaikuttavat Higgsin massaan tismalleen yhtä paljon, mutta eri suuntiin: jos hiukkanen tuo lisää massaa, niin sen puoliso vie pois saman verran. Näin Higgs säilyy tyynesti paikallaan, olivat sitä riepottavat hiukkaset miten raskaita tahansa.

Aina luultavimpana pidetty mahdollisuus ei kuitenkaan toteudu. Supersymmetrialla on ongelmia, eikä sen toimivuudesta ole toistaiseksi saatu mitään kokeellista näyttöä. Eräs kiinnostavimpia vaihtoehtoja supersymmetrialle on tekniväri (technicolor). Havainnot huutavat jonkinlaista uutta hiukkasta, mutta alkeishiukkas-Higgsin massa liian iso. Jos ongelman ilmaisee näin, ratkaisu tuntuu selvältä: ehkä Higgs ei ole alkeishiukkanen? Tekniväri tarttuu tähän mahdollisuuteen.

Standardimallin värivuorovaikutuksessa eli QCD:ssä alkeishiukkasia ovat kvarkit. Ne ovat kuitenkin aina vangittuina, ja vapaana nähdään vain niiden yhteen sidottuja paketteja. Näistä ainoa stabiili --tai ainakin hyvin pitkäikäinen-- kokoelma on protoni, lisäksi on olemassa neutroni, kolme erilaista pionia ja kirjava joukko muita kvarkeista koottuja hiukkasia. Kun luodataan protonin kokoa isompia etäisyyksiä, näiden hiukkasten luulisi olevan pistemäisiä alkeishiukkasia. Lähempää katsottuna kuitenkin paljastuu, että niiden sisällä on monimutkainen kahden tai kolmen kvarkin kuvio.

Teknivärissä on sama idea. (Nimi on fyysikoiden huumorintajua osoittaen poimittu elokuvateollisuudesta.) Standardimallia laajennetaan uudella vuorovaikutuksella, teknivärivuorovaikutuksella joka on samankaltainen kuin värivuorovaikutus, ja uusilla alkeishiukkasilla, teknikvarkeilla. Higgsin hiukkanen on vain kimppu teknikvarkkeja, vaikka näyttääkin kauempaa katsottuna alkeishiukkaselta. Värivuorovaikutuksen protonit ja neutronit menettävät merkityksensä, kun tiheys kasvaa niin isoksi, että ne menevät päällekkäin. Teknivärissä käy samoin: kun mennään korkeisiin energioihin, on vain teknikvarkkeja, Higgsin hiukkasesta ei ole enää puhettakaan, joten sen massastakaan ei tarvitse huolehtia.

Värivuorovaikutuksen sidottuja tiloja syntyy kvarkeista suuri suku, ja niin käy teknivärissäkin. Higgsin hiukkasen lisäksi LHC:ssä siis näkyisi muitakin teknikvarkeista kasattuja hiukkasia. Värivuorovaikutuksen tapauksessa protonien, neutronien ja muiden sidottujen tilojen tutkiminen on ydinfysiikan alaa, ja voi olla että QCD:n tuntemisen lisäksi ydinfysiikan menetelmät olisivat hyödyllisiä teknivärille. Tämä on esimerkki siitä, miten vaikeaa on arvata, mitkä fysiikan alueet osoittautuvat tulevaisuudessa hyödyllisiksi.

Teknivärillä on omat ongelmansa, eikä kaikin puolin tyydyttäviä malleja ole vielä saatu aikaan. Lähitulevaisuudessa asia ratkeaa kokeellisesti, ja tiedetään onko supersymmetrialla tai teknivärillä tekemistä Higgsin massan kanssa. Niin kauan kuin havainnot pitävät meitä epävarmuudessa, voi elätellä monenlaisia haaveita.

Kommentit (14)

Alan Dorkin

Syksy kirjoitti muun muassa:
"Aina luultavimpana pidetty mahdollisuus ei kuitenkaan toteudu. Supersymmetrialla on ongelmia, eikä sen toimivuudesta ole toistaiseksi saatu mitään kokeellista näyttöä. Eräs kiinnostavimpia vaihtoehtoja supersymmetrialle on tekniväri (technicolor). Havainnot huutavat jonkinlaista uutta hiukkasta, mutta alkeishiukkas-Higgsin massa liian iso. Jos ongelman ilmaisee näin, ratkaisu tuntuu selvältä: ehkä Higgs ei ole alkeishiukkanen?"

Saattaisiko mielestäsi olla mahdollista se, että jonakin päivänä ihmiskunta/fyysikot joutuvat toteamaan: Nyt menee liian vaikeaksi; tätä pienempiä partikkeleita/muuttujia emme kykene enää tutkimaan; suuri yhtenäisteoria jää ikuiseksi haaveeksi; tästä eteenpäin hiukkasfysiikan ongelmat jäävät toistensa kanssa kilpailevien teorioiden pysyväksi temmellyskentäksi.
Vai onko kaikkien arvailujenkin keskellä havaittavissa selkeää "eteenpäinmenoa"? Maallikkona minusta tuntuu siltä, että vaikka monissa yksityiskohdissa onkin edistytty, sitten Einsteinin sadan vuoden takaisten oivallusten jälkeen mitään suuria läpimurtoja ei ole fysiikassa tapahtunut. Vai onko nykyfysiikka osoittanut E:n suhteellisuusteoriat joiltakin osiltaan torsoiksi?

Syksy Räsänen

Alan Dorkin:

Fysiikassa on tapahtunut vallankumouksellisia läpimurtoja sitten yleisen suhteellisuusteorian kehittämisen vuonna 1915. Hiukkasfysiikan puolella on kehitetty kvanttimekaniikka, kvanttikenttäteoria, kvanttielektrodynamiikka, värivuorovaikutus, heikko vuorovaikutus ja hiukkasfysiikan Standardimalli.

Kosmologia ei ollut vielä aluillaankaan sata vuotta sitten, sen jälkeen on tullut kuvioihin maailmankaikkeuden laajeneminen, suuren skaalan rakenteen synty ja kehittyminen, kosminen inflaatio, pimeä aine ja niin edelleen.

Sellaiset fysiikan alat, jotka eivät tutki perustavanlaatuisia luonnonlakeja, vaan niistä periaatteessa johdettavissa olevia ilmiöitä (vaikkapa puolijohteita), ovat myös edistyneet valtavasti, kuten vaikkapa elektroniikasta näkee.

Pekka

Elämme todella mielenkiintoista vaihetta hiukkasfysiikassa ihka-uusien havaintojen etsimisessä, mitkä joko tukee, vahvistaa tai romuttaa nykyisiä käsityksiä ja teorioita fysiikasta ja luonnosta, tarkoitan tällä lähinnä tätä yltiöpäistä julkisuudessa rummutettua Higgs-jahtia (minkä toivon johtavan epäonnistumiseen). Tiedän että LHC:n törmäytysdatasta haetaan ja tutkitaan paljon muutakin kuin Higgs, tuntuu vaan näin turistina että koko LHC-hökötys on pykätty pystyyn vain sen takia että löydetään Higgs ja saadaan niskalenkki USA:n Tevatronista, eihän se näin voi mennä. Vai? Onko Nobel-palkinto kaiken tämän takana ja sen väärtti...

Kiinnostunut

Eikös ne teoriat kehity sitä mukaan, kun saadaan uusia havointoja?

Uskoisin että on hyvin vaikea tyhjästä keksiä teoriaa (tietty matemaattisia malleja voi aina yrittää luoda etukäteen tuleville havainnoille). Toisaalta, jotta jotain uutta tai tarkempaa havaittaisiin tarvitaan kehittää parempaa teknologiaa. Tähän tarvitaan taas entistä parempia sovelluksia jo tunnetusta fysiikasta. Teoria ei mielestäni voi kehittyä yksin ilman vastaavia havaintoja maailmasta. Toisaalta ilman fysikaalisia ja matemaattisia faktoja ei voida havainnointilaitteita kehittää juurikaan paremmiksi. Tekniikka siis tietysti rajoittaa jollain tavalla fysiikan tutkimusta. Mennäänkö fysiikassa siis ns. "käsikädessä" teknisen kehityksen kanssa?

Positiivista tässä on tietenkin sen, että luonnontieteitä ja tekniikkaa tutkitaan tänään enemmän kuin koskaan ennen.

Syksy Räsänen

Pekka:

LHC:ssä on neljä koeasemaa. Näistä kaksi, ATLAS ja CMS, etsivät Higgsin lisäksi paljon muutakin. Toiset kaksi -ALICE ja LHCb- eivät tutki Higgsiä lainkaan.

Higgsin hiukkanen on toki yksi LHC:n tärkeimpiä tutkimuskohteita; ks.http://www.tiede.fi/blog/2009/10/30/viimeinen-pala/ . Lisäksi siitä on helppo puhua, koska on Standardimallin tapauksessa selvää, mitä pitäisi löytyä.

Alan Dorkin

Syksy vastasi m.m:
"Kosmologia ei ollut vielä aluillaankaan sata vuotta sitten, sen jälkeen on tullut kuvioihin maailmankaikkeuden laajeneminen...jne."

Näin ovat monet teoriat ja asiat kehittyneet. Kuitenkin fysiikan historiasta voimme lukea kerrottavan lukuisia esimerkkejä esim., että "jo suhteellisuusteoria ennusti sitä, tätä ja tuota."

Esimerkiksi ("vaikka kosmologia ei ollut vielä aluillaankaan") suhtis ennusti Universumin laajenevan. Einstein ei itsekään hyväksynyt aluksi omia laskelmiaan (jotka myöhemmin osoittautuivat oikeiksi), eli hän lisäsi teoriaansa ns. "kosmologisen vakion", jotta kaikkeus ei paradoksaalisesti laajenisi. Myöhemmin Albert katui tuota vakiotaan ja hän myönsi sen "elämänsä suurimmaksi virheeksi".

Kysymys Syksylle kuuluukin: Kumpi on fysiikassa tärkeämpi fakta, laskelmat/teoriat, vaiko kokeellisesti todeksi osoitetut tulokset? Onko teorian pakko korreloida positiivisesti koetuloksen kanssa, ennen kuin se voidaan hyväksyä? Pian on LHC:n jälkeen tulossa vastaan se kylmä tosiasia, että laboratoriota ei voida enää laajentaa...

Syksy Räsänen

Alan Dorkin:

Fysiikka on empiirinen tiede, joka pyrki selittämään havaintoja matemaattisten mallien avulla ja ymmärtämään maailman matemaattista rakennetta havaintojen avulla. Teoria ei ole tosi ellei se kuvaa havaittua maailmaa.

Lauri Gröhn

Mitä mahdat tarkoittaa tuolla "maailman matemaattisella rakenteella"? Haiskahtaa kerettiläisyydeltä.

Alan Dorkin

Sallitaanko tässä yhteydessä humoristinen, mutta silti vakavaksi tarkoitettu vertailukysymys? Eli: jos esimerkiksi ihminen rakastuu, sama asia voidaan ilmaista myös matemaattisten kaavojen ja teorioiden kautta.
Samalla hetkellä kun ihminen suutelee, hänen sykkeensä tihenee ja systolinen verenpaineensa nousee, hormonitoiminta muuttuu ym. indikaattorit aktivoituvat. Kuitenkin aivan samoja asioita ihmiskehossa tapahtuu, jos potilas istuu vaikkapa hammaslääkärin hoitotuoliin, tai hän juoksee karkuun vihaista koiraa. Jos tutkijalla on käytettävissään vain mainitut mittaustulokset, miten hän voi olla varma siitä, mitä tutkittava objekti on juuri havaintohetkellä tehnyt?

Kysymys Syksylle kuuluu: Eikö fyysikon yksi perusongelma ole juuri siinä, tulkitaanko sinänsä oikeita tutkimushavaintoja oikeilla johtopäätöksillä?

Syksy Räsänen

Alan Dorkin:

"Eikö fyysikon yksi perusongelma ole juuri siinä, tulkitaanko sinänsä oikeita tutkimushavaintoja oikeilla johtopäätöksillä?"

Voidaan sanoa, että fysiikka koostuu tämän asian selvittämisestä.

Lauri Gröhn

Tämä kysymykseni yllä liittyi oikeastaan kieli-ilmaisuus:

>Mitä mahdat tarkoittaa tuolla “maailman matemaattisella rakenteella”? Haiskahtaa kerettiläisyydeltä.

Tuohan viittaa johonkin vaihtoehtoon.

Perustuslakien säätämisjärjest...

[...] Higgsin kenttä ottaa plasman roolin ja antaa hiukkasille massan — ei tosin fotonille. Jos vielä osoittautuisi, että Higgs on itsessään alkeishiukkasten sidottu kimppu, niin tarinassa olisi [...]

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