Hiukkasfysiikan Standardimalli kuvaa kaikkia tunnettuja vuorovaikutuksia gravitaatiota lukuunottamatta ja sisältää kaikki maan päällä havaitut hiukkaset. Standardimallin lukuisat ennusteet on varmennettu suurella tarkkuudella ja löytöretket sen syvyyksiin on tunnustettu usealla Nobelin palkinnolla. Melkein kaikki Standardimallin palaset on löydetty, vain yksi puuttuu: Higgsin hiukkanen.

Higgsin kentällä on keskeinen rooli Standardimallissa. Se on vastuussa sähköheikosta symmetriarikosta, josta kirjoitin viime merkinnässä. Tämä ilmiö saa sähkömagneettisen ja heikon vuorovaikutuksen käyttäytymään eri tavoin, vaikka ne ovat osa samaa kokonaisuutta. Samalla lyönnillä Higgsin kenttä antaa kaikille Standardimallin hiukkasille massat, tai ehkä ennemmin luo sen vaikutelman, että niillä olisi massat. Higgsin kenttä täyttää koko avaruuden tasaisesti, ja hiukkaset vuorovaikuttavat sen kanssa. Mitä voimakkaammin hiukkaset Higgsin kenttään tarraavat, sitä isompi massa niillä näyttää olevan. Karkeana vertauksena tarjottakoon se, että käveleminen tahmeassa nesteessä, vaikkapa öljyssä, on vaikeaa, ikään kuin liikemassa olisi isompi. (Analogia ei ulotu niin pitkälle, että voisi ymmärtää, miksi hiukkasten gravitaatiomassakin muuttuu.)

(En voi olla mainitsematta, että itseasiassa tavallisen, protoneista, neutroneista ja elektroneista koostuvan aineen massasta vain prosentti tai pari tulee Higgsin kentästä. Valtaosa massasta on peräisin kvarkkeja protoneiksi ja neutroneiksi sitovasta vahvasta vuorovaikutuksesta. Mutta se on toinen tarina.)

Voidaan siis sanoa, että hiukkasten massat ovat epäsuora todiste Higgsin kentästä, ja Higgs osallistuu kiihdyttimissä tehtyihin törmäyksiin muutenkin. Mutta Higgsin hiukkasta ei ole suoraan havaittu, vaikka sitä on kauan etsitty, niin CERNissä kuin muuallakin. Standardimallin viimeinen osa on löytymättä, mutta myöskään poikkeamia Standardimallista ei ole näkynyt, vaikka niitäkin on etsitty kymmeniä vuosia. Tilanne on synnyttänyt satoja erilaisia Standardimallin laajennuksia, joissa on mukana on uusia hiukkasia, vuorovaikutuksia tai ulottuvuuksia. Ei ole pystytty sanomaan, mikä näistä laajennuksista olisi oikein, kun kokeet ovat vain varmentaneet sen, mitä jo tunnetaan. Standardimalli on liian suuri menestys.

Tiedämme kuitenkin, että LHC muuttaa tilanteen, olettaen että kaikki toimii tekniikan puolesta kunnolla. Tämän voi sanoa täydellä varmuudella, koska Standardimalli ei ole matemaattisesti ristiriidaton LHC:n luotaamilla energioilla ilman Higgsin hiukkasta. Toisin sanoen, LHC löytää joko Higgsin hiukkasen tai jotain uutta fysiikkaa Standardimallin tuolta puolen. Yleisen toivon mukaan LHC paljastaa molemmat, ja monissa malleissa uusi fysiikka liittyy kiinteästi Higgsin kenttään ja sähköheikkoon symmetriarikkoon.

Higgsin kentällä on myös mahdollinen rooli maailmankaikkeuden rakenteen synnyssä. Lisäksi se, että maailmankaikkeudessa on enemmän materiaa kuin antimateriaa saattaa liittyä Higgsin piikkiin menevään sähköheikkoon symmetriarikkoon - tästä lisää joskus toiste.

LHC:n kokeissa ei ole kyse ainoastaan Standardimallin viimeisen irtopalan löytämisestä. Fysiikan onnistuneimman teorian lopullista varmentamista voisi pitää merkittävänä saavutuksena, mutta tärkeämpää on, että Higgs liittyy elimellisesti Standardimallin tuolla puolen olevaan tuntemattomaan maahan. LHC:tä ei ole rakennettu ylistämään Standardimallia, vaan hautaamaan se.

Kommentit (15)

pulu

Muistakaa ihmiset olla tarkkana kun joulusiivouksen yhteydessä siivoatte kaapin alta. Jos löydätte Higgsin sieltä, niin tulee varmasti nobel-palkinto!

Ile

Pidetään peukut pystyssä että tällä kertaa LHC toimisi niinkuin pitää! CERN:in kotisivujen Particles are back in the LHC!- esittelyvideon perusteella ensimmäisiä korkeaenergisiä törmäyksiä voitaisiin odotella kokeiltavan ehkä jo ennen joulua.

Syksy Räsänen

Ile:

Riippuu siitä, mitä korkeaenergisellä tarkoitetaan. Tämänhetkisen suunnitelman mukaan kaavailtuun 3.5 TeV:n energiaan paastaan vasta ensi vuonna. (Alunperin energian piti siis olla 7 TeV, tuohon 3.5:een paadyttiin onnettomuuden jälkeen.)

Pekka

Jos "tavallisen" aineen massasta vain pari prosenttia selittyy Higgsin kentällä ja loput vahvasta vuorovaikutuksesta, niin miten "pimeän massan" kohdalla, onko niin että vain Higgsin havaitseminen LHC:n datasta tukee sitä teoriaa että "pimeää massaa" on edes olemassa?

Leone

Mielenkiintoista. Jos unohdetaan gravitaatio, niin miksi kappaleen massa näkyy vain kiihdytyksessä? Jos Higgsin kenttä leijuu kaikkialla niin vertaus öljyssä liikkumiseen tuntuu huonolta, koska tasaisessa liikkeessä Higgsin kenttä ei näyttäydy millään tavoin.

Toisaalta massan näkyminen kiihdytyksessä voidaan selittää sillä, että se on vastavoima pyrkimykselle hajottaa kappale. Siis sähköisesti varatut hiukkaset, tai niiden sidokset, vastustavat sitä että niitä yritetään eriyttää.

Syksy Räsänen

Pekka:

Pimeän aineen hiukkaset eivät tunne vahvaa vuorovaikutusta. Niiden massan alkuperä on erilainen eri pimeän aineen malleissa. Pimeällä aineella voi olla massa sinällään tai massa voi tulla Higgsin kentästä. Useimmissa malleissa pimeä aine koostuu alkeishiukkasista, joilla ei ole sisärakennetta, mutta on myös malleja, missä pimeä aine on alkeishiukkasten sidottu tila, ja niissä osa massasta tulee sidosenergiasta, kuten protonin tapauksessa.

Higgsin havaitseminen ei yksinään kerro mitään pimeästä aineesta suuntaan tai toiseen.

Syksy Räsänen

Leone:

Öljyvertaus on tosiaan aika rajoitettu. Mutta Higgsin kentän antama massa kyllä vaikuttaa tasaiseenkiin liikkeeseen, se nimittäin muuttaa energian ja nopeuden suhdetta. (Jos liike-energia pidetään vakiona, niin hiukkasen nopeus on sitä pienempi, mitä raskaampi se on.)

Liikemassa ei liity mitenkään sidosten hajottamiseen. Gravitaatiomassan ja liikemassan yhtäsuuruus selittyy yleisessa suhteellisuusteoriassa siten, että gravitaatio on aika-avaruuden geometrian ilmentymä - tämä vaatisi pidemmän selityksen.

Aineen synty - blogit - Tiede.fi

[...] 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 [...]

PKu

Tiedän, että olen yhden vuoden ja yhden kuukauden jälkeen herättämässä tätä keskustelua, mutta kuintekin!

Eli, eikö tuo Higgsin hiukkanen ole yhtäkuin pimeä aine (http://fi.wikipedia.org/wiki/Pimeä_aine)? Eli nykyinen Standardimalli/Klassinen fysiikka ei pysty selittämään yli 90-prosenttia maailmankaikkeuden aineesta/massasta. Ja eikö kaikella aineella ole aina oma massa?

Ja, jos suinkin mahdollista, niin olisi hienoa saada vastaukset mahdollisuuksien mukaan mahdollisimman maanläheisin esimerkein, kuten esim. Syksy Räsänen alkuperäinen vertaus tahmeassa nesteessa/öljyssä kävelemiseen, niin olisin kiitollinen, koska asia kiehtoo TODELLA PALJON :).

PKu

Syksy Räsänen:

Kiitoksia vastauksesta! Nyt kun joulu ja uusivuosi on juhlittu, niin pääsen viimeinkin keskittymään yhteen asiaan kerrallaan :).

Pikkupuolueettomien taustaa - ...

[...] hiukkaset voidaan jakaa ainehiukkasiin, vuorovaikutuksia välittäviin hiukkasiin ja Higgsin hiukkaseen. Vuorovaikutuksia on Standardimallissa kolme: sähkömagneettinen vuorovaikutus, värivuorovaikutus [...]

Lopun alkua - blogit - Tiede.fi

[...] että Standardimallin Higgs (tai jotain mikä näyttää paljon siltä) on olemassa. Jos tarina massan alkuperästä on hyvin toisenlainen, niin senkin pitäisi näkyä tänä vuonna. Siinä tapauksessa juonen [...]

Siipien levittämistä - blogit ...

[...] joudutaanko tyytymään merkkeihin, jotka ovat lähes varmoja mutta eivät kuitenkaan ratkaisevia. Palkitsevinta toki olisi, jos vastaan tulisi yllätyksiä, kuten Higgsin hiukkanen joka eroaa ominaisuuksiltaan [...]

Tarinan loppu - blogit - Tiede.fi

[...] Higgsin hiukkanen julistettiin löydetyksi 4. heinäkuuta, kuten huhut olivat kertoneet ja vuoden 2011 tulokset vihjasivat. Raportteja riemukkaasta julkistustilaisuudesta voi lukea vaikkapa Jesteriltä ja Matt Strasslerilta ja Higgsin metsästäjät kertovat löydöstä tarkemmin. [...]

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