Erinomaisesti protoneja hajottanut LHC siirtyi maanantaina 8. päivä uuteen vaiheeseen. Nyt törmäytetään lyijyioneja, eli elektroneistaan riisuttuja lyijyatomeita. Koska lyijy-ytimessä on 82 protonia, päästään niiden yhtymisessä korkeampiin energiatiheyksiin kuin protonien tapauksessa. Kuvia törmäyksistä voi ihailla vaikkapa ALICE-detektorin sivuilla, tai niitä voi seurata ALICEn, ATLASin ja CMS:n todellisuustelevisiossa.

Toisin kuin protonien tapauksessa, raskasionitärmäyksissä ei etsitä niinkään Higgsin hiukkasta tai uutta fysiikkaa, vaan pyritään ymmärtämään paremmin hiukkasfysiikan Standardimallin vahvaa vuorovaikutusta, joka myös värivuorovaikutuksen tai kvanttiväridynamiikan (Quantum Chromodynamics, QCD) nimellä tunnetaan.

Hiukkasfysiikan Standardimallissa on kolme osaa: sähkömagneettinen vuorovaikutus, heikko vuorovaikutus ja vahva vuorovaikutus. Kaksi ensiksi mainittua ovat itseasiassa sähköheikon vuorovaikutuksen eri puolia, ja niiden välirikko on eräs LHC:n keskeisiä tutkimuskohteita. Vahva vuorovaikutus on näistä kahdesta erillään, ja se on Standardimallin alueista vaikeakulkuisin.

Sähkövarauksia on plus- ja miinusmerkkiä, ja sähkövarauksen omaavat alkeishiukkaset ovat kasautuneet sähköisesti neutraaleiksi kasoiksi, atomeiksi, joissa on yhtä paljon plus- ja miinusvarauksia. Vahva vuorovaikutus on hieman kuten sähkömagneettinen vuorovaikutus, paitsi että varauksia on kolmea eri laatua: näitä kutsutaan värivarauksiksi tai vain väreiksi, ja niille on annettu nimet punainen, sininen ja vihreä; vastakkaismerkkisiä varauksia sanotaan vastaväreiksi. Alkeishiukkaset jotka tuntevat värivuorovaikutuksen, eli kvarkit ja gluonit, ovat sitoutuneet värineutraaleiksi kokonaisuuksiksi, kuten protoneiksi ja neutroneiksi.

Kvarkeista ja gluoneista koostuva hiukkanen voi olla värineutraali siksi, että se sisältää yhtä paljon väriä ja vastaväriä, samaan tapaan kuin sähköisesti neutraalissa lyijyatomissa on 82 positiivista ja 82 negatiivista sähkövarausta. Mutta kolmen erityyppisen varauksen olemassaolo mahdollistaa sellaisen vaihtoehdon, että hiukkanen on väritön siksi, että siinä on yhtä paljon kaikkia kolmea väriä. Tämä ominaisuus tuo mieleen tavallisen väriopin, ja siitä juontuu sanan väri --pseudokreikaksi chromo-- käyttö, ja varausten nimet. (Vahvalla vuorovaikutuksella ei ole mitään varsinaista tekemistä näkyvän valon värien kanssa.) Kvarkeista koostuvia värittömiä hiukkasia kutsutaan hadroneiksi: niistä LHC:kin saa nimensä keskimmäisen kirjaimen.

Sähkövarauksia on vain yhtä laatua, ja kahden sähkövarauksen välinen voima pienenee etäisyyden kasvaessa. Siitä, että värivarauksia on kolme erilaista, seuraa, että värivuorovaikutus tulee vahvemmaksi kun kahta värivarausta yrittää erottaa toisistaan. Itseasiassa värivarausten liittoa ei voi mikään rikkoa: atomeja voi hajottaa elektroneiksi ja ioneiksi, mutta kvarkit eivät koskaan ole ilman seuraa. Tätä ominaisuutta, että kvarkit ovat aina sidottuja, sanotaan värivankeudeksi, joskus myös orjuudeksi. Se, että näitä perusrakennuspalikoita ei koskaan voi nähdä yksinään on suurin hankaluus värivuorovaikutuksen käsittelyssä -- ja myös sen mielenkiintoisin ominaisuus.

Kvarkkien vankeudesta on yksi pakomahdollisuus: kun protoneita tai muita hadroneita pakataan niin tiheään, että ne menevät lomittain, niiden kvarkit ja gluonit sekoittuvat, eikä aine enää koostukaan hadroneista, vaan plasmasta, jossa kvarkit ja gluonit liikkuvat vapaina toistensa seurassa. (Plasma tarkoittaa kaasua, jossa on irrallisia sähkövarauksia.) Usein olomuodon muutoksiin liittyy jonkin symmetrian rikkoutuminen. Esimerkiksi sähköheikko olomuodon muutos, jossa hiukkaset saavat massat, liittyy Higgsin kentän perustilan symmetrian rikkoutumiseen. Toisaalta veden jäätyessä kiertosymmetria katoaa, kun nesteen samanarvoiset suunnat muuttuvat yhteiseen rintamaan järjestyneeksi kiderakenteeksi.

Muutos hadroneista kvarkkien ja gluonien plasmaksi on sujuvampi tapahtuma kuin kumpikaan näistä esimerkeistä. Siihen ei liity symmetrian rikkoutumista, ja siirtymä vangituista kvarkeista sekoittuvaksi yhteisöksi tapahtuu pikkuhiljaa, ilman suurta murrosta. Tämä ilotulitusten puute tekee vaikeaksi havaita, milloin muutos on tapahtunut ja miten. Brookhavenin Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC)-kiihdyttimessä on kuitenkin onnistuttu näkemään tämä olomuodon muutos, kultaionien painuessa tiukasti yhteen äärimmäisillä nopeuksilla.

Kun RHIC jo löysi kvarkkigluoniplasman, mitä korkeampiin tiheyksiin yltävä LHC voi tarjota? On kuvaavaa, että CERNin lehdistötiedotteessa ja julkisuudessa yleensä mainitaan maailmankaikkeuden varhaiset hetket. Tämä kertoo kosmologian suuresta menestyksestä: nykyään hiukkasfysiikkaa mainostetaan sen merkityksellä kosmologialle! On kyllä totta, että varhaisessa maailmankaikkeudessa tiheys oli niin suuri, että aine oletettavasti koostui kvarkkigluoniplasmasta. Tämän merkitys käytännön kosmologialle lienee kuitenkin vähäinen, koska hiljainen siirtymä tavalliseen aineeseen, joka tapahtui maailmankaikkeuden ollessa sekunnin sadastuhannesosan ikäinen, tuskin jättää mitään jälkiä, joita voisimme nykyään mitata.

LHC:n lyijytörmäysten ydin on vahvan vuorovaikutuksen tarkka syynääminen, asiassa päästään syvemmälle kuin mihin RHIC kykeni. Raskasionifysiikan asiantuntijoilla LHC:n dataan käsiksi pääseminen on kuin jouluaatto, ja heillä on omat innostuneet odotuksensa siitä, mitä paketeista löytyy. Kauempaa katsovan kosmologin näkökulmasta tilanne on kiinnostava ainakin kahdesta syystä.

Ensinnäkin, voimme luodata yksityiskohtaisesti ja ainutlaatuisesti aineen perustilan muutosta: ei vain atomien järjestys vaihdu kuten kemiallisissa olomuodon muutoksissa, tai alkuaineet muutu toisikseen kuten ydinfysiikassa, vaan protonit ja muut hadronit lakkaavat olemasta, ja tilalle astuu kokonaan uudenlainen aineen muoto. Tätä voi verrata LHC:n toiseen tutkimuskohteeseen, tyhjön ominaisuuksien muuttumiseen Higgsin kentän takia.

Toisekseen, QCD on malliesimerkki hiukkasfysiikan teorioista, joissa alkeishiukkaset sitoutuvat isommiksi kokonaisuuksiksi. Samanlaisia ilmiöitä saattaa tapahtua korkeammilla energioilla, toistaiseksi varmentamattomissa teorioissa. Tämä on hiukkasfysiikassa tärkeää, mutta saattaapa kosmologiakin siitä kostua. Kosmologeilla on tapana olla hieman yksinkertaisia aineen ominaisuuksien suhteen, ellei yksityiskohtia ole pakko ottaa huomioon. (Esimerkiksi kosmisen mikroaaltotaustasäteilyn syntyyn liittyvää atomien käytöstä kyllä käsitellään hyvin hienostuneesti.) Jo tunnetun QCD:nkin käyttäytyminen on monimutkaista, ja voi olla että sen tutkiminen paljastaa uusia yllättäviä seikkoja, joilla on merkitystä varhaisessa maailmankaikkeudessa -- vaikka LHC ei sitä motivaatioksi tarvitsekaan.

Kommentit (23)

Hannu

Törmäysenergia on riippuvainen massasta ja nopeudesta.

Koska lyijy-ytimessä on 82 protonia niin niillä tehdyillä törmäytyksillä on paljon suurempi energia kuin aikaisemmilla LHC:n protoni-protoni törmäytyksillä.

Nyt kysyisinkin pystyykö LHC kiihdyttämään nämä raskaammat lyijy-ytimet samaan nopeuteen kuin aiemmin näissä protoni kokeissa?

Syksy Räsänen

Hannu:

Kyllä. Lyijy-ytimet ovat noin 82 kertaa protonin painoisia, mutta niillä on myös 82-kertainen sähkövaraus, joten varaus/massa on suunnilleen sama.

Neutroni

On siellä toista sataa neutroniakin. Lyijy-ytimet painavat reilun parin sadan protonin verran.

Kiinnostunut

Syksy, Minkälainen on tyypillinen teoreeettisen fyysikon työpäivä? Onko teoreettisen fyysikon työ vieläkin samanlaista kuin Einsteinin aikana, jolloin patenttitoimistossa hän yksin pelkän kynän ja paperin avulla hahmotteli maailmankaikkeuttamme. Eipä taida enään ihan samanlaista olla? Kuinka suuri osa teoreettisen fyysikon työpäivästä on puhdasta laskemista paperille ja kuinka paljon on muuta?

Syksy Räsänen

Neutroni:

Niinpä tosiaan, nyt kun tarkistin, niin LHC:ssä käytettävässä isotoopissa on 126 neutronia ja 82 protonia. CERNin lehdistötiedotteessa energia oli vain kerrottu tekijällä 82 protonitörmäyksistä, joten kuvittelin, että törmäyksissä käytettäisiin lyijyn isotooppia, jossa ei ole neutroneja, mutta sepä ei taida olla lainkaan tarpeeksi stabiili.

Syksy Räsänen

Kiinnostunut:

Päivät vaihtelevat, kynälle ja paperille on kyllä paljon käyttöä. Tämä ei varsinaisesti liity merkinnän aiheeseen, kirjoitan aiheesta vaikkapa oman merkinnän myöhemmin.

Tiedemies

Kai se idea on, että kun lyijyioni on rontti 200 kertaa painavampi kuin protoni, niin saman energian aikaansaamiseksi sen täytyy kulkea noin 14. osalla protonin (relativisesti korjatusta) nopeudesta. LHC:n kyky pitää ioni radallaan riippuu varauksen ja massan suhteesta ja nopeudesta. Protonin massan ja varauksen suhde on edullisempi kiihdyttimen kannalta (enemmän varausta/massayksikkö), mutta koska tarvittava voima riippuu nopeudesta lineaarisesti, saadaan lyijyatomeille samalla magneettikentällä noin kuusinkertainen liike-energia verrattuna protoneihin.

Syksy Räsänen

Tiedemies:

Lyijytörmäysten energia on isompi kuin protonitörmäysten, mutta jos energia olisi sama, niin nopeus olisi vain 0.001% pienempi.

Tiedemies

No, tämä nyt riippuu tietenkin siitä, mitä tarkoitat "nopeudella". Ne liikkuvat niin lähellä valonnopeutta, että meidän mielestämme ne liikkuvat kaikki melkein samaa vauhtia. Siksi käytin ilmaisua "relativistisesti korjattu nopeus". Protonin/lyijyatomin näkökulmasta tilanne on vallan toinen kuin meidän näkökulmastamme. Jos protoni ottaa omasta rannekellostaan aikaa ja pysäyttää sen juuri törmäyksen hetkellä, ja lyijy-ydin tekee saman, niin noita kelloja vertaamalla näyttää siltä, että protoni olisi liikkunut moninkertaisella nopeudella.

Leone

Mistäpä tulee nopeuden yläraja törmäyttimissä? No kaikkihan ovat tietenkin sitä mieltä, että suhteellisuusteoriasta. Mutta tehdäänpä pieni ajatusleikki ja jätetaan suhteellisuusteoria huomioimatta. Voisivatko hiukkaset tällöin saavuttaa valoa suuremman nopeuden?

Vastaus on, että eivät voisi. Nyt nimittäin kiihdyttävässä sähkökentässä informaatio liikkuu valon nopeudella. Tämä itsessään jo asettaa ylärajan hiukkasten nopeudella. Näin siksi, että kenttä ensinnäkin ilman muuta siirtää informaatiota. Tämä nähdään esimerkiksi laskemalla tehoa, jolloin hiukkasen liikkeessä tapahtuu nanosekuntien viiveen jälkeen muutos. Informaatio siirtyi napin painajan aivoista hiukkaseen tuossa ajassa. Toisaalta hiukkanen ei luonnollisestikaan pysty ylittämään tuota sähkökentän informaation siirtonopeutta. Jos näin kävisi, niin silloin informaatio ei enää saisi hiukkasta kiinni ja ei olisi enää kiihdyttävää voimaakaan.

No, tapahtuisiko kiihtyvyyden hidastuminen lähestyttäessä c:tä yhtäkkisesti? Eipä tietenkään, vaan vähitellen voimistuen tietyn funktion mukaisesti, joka riippuu sähkökentän informaation siirtomekanismista.

Mutta, mutta: Tällainen mekanismihan on siis joka tapauksessa olemassa c:tä pienemmillä nopeuksilla myös suhteellisuusteorian kanssa! Miksi ihmeessä sitä ei lainkaan huomioida? Miten voidaan olettaa, että sähkökentän äärellinen informaationopeus ei aiheuta kiihtyvyyden hidastumista, kun lähestytään c:tä?

Syksy Räsänen

Tiedemies:

Protonin näkökulmasta kohti tulevan protonin nopeus on vielä lähempänä valonnopeutta kuin sellaisen havaitsijan mielestä, joka näkee protonien nopeudet samoina. Sama juttu lyijy-ytimen kanssa. Ero on siis vielä pienempi.

Syksy Räsänen

Leone:

Suhteellisuusteorian maksiminopeuden huomioon ottaminen on toki keskeistä kiihdyttimen toiminnassa, ja siihen liittyvä fysiikka tunnetaan hyvin. Tämä riittäköön tästä.

Neutroni

Leone: sinun mallisi ei selitä sitä, miksi sillä sähkömagneettisella kentällä voidaan kuitenkin pumpata yhä enemmän ja enemmän energiaa kiihdytettävälle hiukkaselle. Ja vaikka antaisit miten paljon energiaa millä tahansa menetelmällä, aina vain se nopeus on alle c:n.

Joudut joka tapauksessa hylkäämään klassisen liike-energian - ja jos väännät laskut auki, sieltä varmaan jossain vaiheessa putkahtaa vanha tuttu suhteellisuusteoria (ainakin jos vaadit ristiriidattomuuden havaintojen kanssa).

Leone

Neutroni:

Oikeastaan en esittänyt mitään mallia, vaan ajatuksen että sähkökentän rajallinen informaationopeus rajoittaa kiihtyvyyttä ja maksiminopeutta suhteellisuusteoriasta riippumatta. Yleisesti pätee: Jos valitussa koordinaatistossa ja valitulla menetelmällä kappaleeseen voidaan siirtää informaatiota ja samalla energiaa rajallisella nopeudella, niin kyseisellä menetelmällä ei voida kiihdyttää rajanopeutta suurempaan nopeuteen.

Otetaanpa eräs käytännön esimerkki: Säteilyn painetta käyttäen kiihdytetään kappaletta. Tällöin säteilylähteen koordinaatistossa nopeutta ei tietenkään saada kasvatettua säteilyn nopeutta suuremmaksi. Helposti voidaan osoittaa, että kiihdyttävä voima lähestyy nollaa nopeuden kasvaessa ja vieläpä suhteellisuusteoriasta riippumattomasti.

Sama pätee kiihdyttimissä, joiden toiminta ei suurestikaan eroa säteilyn paineella kiihdyttämisestä.

Tiedemies

Tietenkin olet oikeassa nopeuksien suhteen, olinpas tyhmä, laskin sen väärään suuntaan. Todella noloa.

No, joka tapauksessa se keskeinen pointti kai oli se, että se, kuinka järeä magneettikenttä tarvitaan hiukkasen radalla pitämiseen, on suoraan verrannollinen varauksen ja massan suhteeseen ja nopeuteen. Tämän takia lyijy-ytimiä ei voi kiihdyttää yhtä suureen nopeureen, niissä kun on enemmän massaa suhteessa varaukseen. Isomman massan takia lyijy-ydin saa ikuitenkin isomman energian huolimatta alhaisemmasta nopeudesta (enää en tee tupakkiaskin kanteen noita laskuja, kun jo kerran tein merkki virheen siellä neliöjuuren sisällä...).

Oli minulla mielekäs kysymyskin: Ovatko lyijy-ytimet optimaalisia törmäysenergian suhteen, vai olisiko joku kevyempi/raskaampi ydin parempi? Äkkiseltään näyttäisi niin, että maksimi voisi löytyä jostain hyvin raskaan ja hyvin kevyen väliltä, semminkin kun neutronien määrä suhteessa protonien määrään kasvaa hieman nopeammin kuin lineaarisesti.

Luin jostain lisäksi, että nämä raskaat ytimet tuottavat törmäyksissään enemmän kohinaa. Kuinka paha tämä ongelma on?

Neutroni

Leone:

Jos ajatellaan säteilypaineella klassisen fysiikan lainalaisuuksilla toimivaa kiihdytintä, se ei voi antaa kiihdytettävälle kappaleelle rajatta liike-energiaa, vaan maksimiliike-energia on valon nopeutta vastaava klassinen liike-energia. Hiukkaskiihdyttimillä vastaavaa energiarajoitetta ei ole. Valon nopeudella liikkuvan protonin liike-energia on klassisen fysiikan mukaan noin 0,5 GeV, kun taas LHC:n protoneilla on liike-energiaa tuhansia kertoja enemmän (3000 GeV).

Tiedemies

Sori kun vänkään vieläkin, mutta tarkistin laskelmani, ja se näyttää kyllä menevän oikein.
Oletetaan yksinkertaisuuden vuoksi, että nopeampi, siis protoni, liikkuu 0.1% päässä valonnopeudesta, ja se lentää meidän näkökulmastamme matkan "x". Tuolle matkalle laitamme sen kyytiin kellon, joka pysäytetään juuri ennen törmäystä. Oletetaan yksinkertaisuuden vuoksi, että "x" on yksi valosekunti tms.

Törmäyksen jälkeen katsomme protonin kelloa. Se on aikadilataation vuoksi käynyt niin hitaasti, että protonin mielestä tuon matkan (joka tietysti protonin mielestä oli paljon lyhyempi kuin x) taittamiseen menikin vain 0.0471 sekuntia. Siis ikäänkuin se olisi mennyt 20 kertaisella valonnopeudella.

Lyijy lentää verkkaisemmin, mutta ei paljoa. Sanotaan, että se menee 0.2% päässä valonnopeudesta. Meidän mielestämme, näin sivustakatsojina, se siis menee melkein samaa vauhtia: ero on 0.999 ja 0.998 kertaisen valonnpeuden välinen ero, eli vain 0.1 prosenttia. Mutta kun törmäyksen jälkeen katsomme lyijy-atomin kelloa, sen matkaan meni 0.0632 sekuntia. Siis liki puolitoistakertainen aika.

Eli, en tehnyt virhettä sittenkään, luulen, että puhuimme vain eri viitekehyksistä.

Tiedemies

(Edelläolevat luvut ovat siis esimerkkejä, eivät todellisia, en tiedä törmäysenergioita, joten en voinut tietenkään laskea nopeuksia, mutta käsittääkseni tällä menetelmällä laskien tuo sama energia saadaan ikäänkuin 14.osalla nopeudesta)

Syksy Räsänen

Tiedemies:

Nopeuksia ei lasketa noin.

Siitä, mikä ydin olisi paras, en osaa sanoa. RHIC käytti kultaa. Oleellista ei ole vain törmäyksen energia, vaan energiatiheys, joten silläkin lienee merkitystä, mikä on ytimen koko. Osansa on varmaan myös sillä, minkä ydinten kanssa on totuttu toimimaan - elektronien irrottaminen eri ytimistä vaatinee hieman erilaisen koejärjestelyn. Kun en ole kokeilija, en osaa vastata mitään varmaa.

Leone

Jepjep. Ainahan näistä voidaan jutella muuallakin, kuten Neutronin kanssa ollaan tehtykin. Mutta eipä se tiede mihinkään olisi ikinä edennyt, jos aina vaan kaikki olisivat olleet tyytyväisiä vallitseviin teorioihin. Maapallokin olisi edelleen maailmankaikkeuden keskipiste.

Nykyään tiede kuitenkin on niin kieroutunutta, että tärkeintä on määrärahat, kunnia ja hienot monumentit. Ilmankos tässä on jo vuosikymmeniä fysiikka polkenut lähestulkoon paikallaan: Mitään todellisia läpimurtoja ei ole näkynyt. Eikä varmaan lähitulevaisuudessa tule näkymäänkään. Kohta ihmetellään sormi suussa, että eihän sitä Higgsiä sitten löytynytkään, mitäs seuraavaksi?

mutuilija

vekkaan (mutu) että higgsiä ei löydy ja gravitaatio yhdessä vahvan vuorovaikutusvoiman kanssa pitää miettiä uusiksi :)

Syksy Räsänen

mutuilija:

Higgsin mekanismilla ei ole mitään tekemistä gravitaation kanssa, ja hyvin vähän tekemistä vahvan vuorovaikutuksen kanssa.

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