Kuva: Cern, LHC
Kuva: Cern, LHC

Jos maailman etsityintä hiukkasta Higgsin bosonia ei lähikuukausina löydy, sitä ei ole olemassakaan. Jos se löytyy, se voi olla yksi viidestä. Oletukset aineesta saattavat heittää kuperkeikkaa.

Sinäkin olet varmasti kuullut tästä kuuluisasta karkulaisesta, josta ei ole nähty vilaustakaan, vaikka teoria antaa sille oikeuden olla olemassa. Nyt sen kohtalon hetket ovat käsillä. Viime syksynä pääetsivinä häärivät hiukkastutkimuskeskus Cernin fyysikot saattoivat saada sen jo näköpiiriinsä. Tiedelehtien lööpit huusivat: Higgsin hiukkanen melkein löytyi!

Niin ne huusivat myös vuonna 2000. Ei silloin löytynyt. Hitsin hiukkanen!

Mistä metsästys alkoi?

Palataan hieman ajassa taaksepäin. 1960-luvulla brittifyysikko Peter Higgs esitteli teorian, jonka mukaan avaruus ei ole tyhjä vaan siellä vaikuttaa kenttä, joka antaa alkeishiukkasille massan. Ennen tätä massaa ei fysiikassa juuri ollut mietitty. Sitä oli pidetty hiukkasten itsestään selvänä ominaisuutena.

Higgsin kenttää voi verrata vaikkapa mereen tai mihin tahansa aineeseen, johon joutuessaan hiukkasten liike tahmaa. Raskaammilla enemmän, kevyemmillä vähemmän.

Kuten kaikki kentät, myös Higgsin kenttä tarvitsee välittäjähiukkasen. Jos kenttä on olemassa, on oltava myös Higgsin hiukkanen.

Totuuden nimessä on mainittava, ettei Higgs ollut ainoa eikä edes ensimmäinen, joka hiukkasen esitteli. Hän oli yksi monista, mutta hänen mukaansa hiukkasta nyt kutsutaan.

Mihin hiukkanen tarvitaan?

Higgsin hiukkanen on puuttuva pala nykyfysiikan perusteoriaa, standardimallia, joka kuvaa aineen koostumusta ja kolmen luonnon perusvoiman vuorovaikutussuhteita. Kaikki muut mallin ennustamat hiukkaset on löydetty, vain Higgs puuttuu. Jos sekin paljastaisi itsensä, teoriasta tulisi täydellinen.

Valitettavasti tämä on kaunisteltu totuus. Higgsin hiukkanen ei selitä lainkaan kaikkea massasta. Se ei kerro, miksi alkeishiukkasten massat ovat hyvin erilaiset: pienimmän ja suurimman massalla on eroa yli kymmenen kertaluokkaa. Kuten vaikka elefantilla ja pikkuruisimmalla muurahaisella.

Toiseksi se ei selitä kaikkea massaakaan. Atomin alkeishiukkasten, kvarkkien, massa selittää vain 1,5 prosenttia atomin massasta – loppu on vinhasti liikkuvien hiukkasten liike-energiaa. Nykykäsityksen mukaan hiukkaset muodostavatkin vain neljä–viisi prosenttia universumin massasta.

Standardimallin täydentymistä Higgsin hiukkasella himmentää myös se, ettei mallikaan ole täydellinen. Standarditeoria ei esimerkiksi pysty selittämään neljättä perusvoimaa, gravitaatiota, eikä pimeää ainetta, jota maailmankaikkeutemme aineesta ja massasta on todella iso siivu, noin neljännes.

Miksi Higgs sitten on niin himoittu hiukkanen? Siksi, että pienikin selitys on osa jotain suurempaa ja pienikin havainto tarjoaa tienviitan uusiin tutkimuksiin. Pienikin uusi tieto auttaa vastaamaan kysymykseen, ovatko selityksemme maailman fysikaalisesta rakenteesta oikeita vai pielessä pahastikin.

Mistä hiukkasta etsitään?

Fyysikot etsivät hiukkasta kuin neulaa heinäsuovasta. Ongelmana vain on, että neulan koko on mysteeri. Standardimalli ei edes vihjaa, kuinka suuri on Higgsin bosonin massa ja mistä sitä niin ollen pitäisi etsiä. Niinpä suureen jahtiin osallistuneet fyysikot ovat joutuneet haravoivaan heinää jo koko tovin. Enää on jäljellä suhteellisen pieni kasa.

Viime syksynä Cernin tutkijat saattoivat ylpeästi esittää, että Higgsin hiukkasen on oltava alueella, joka sijaitsee 115:n ja 127 gigaelektronivoltin välissä. Fyysikkopiireissä hiukkasten massaa mitataan gigaelektronivoltteina. Esimerkiksi protoni painaa noin yhden gigaelektronivoltin. Grammoissa siinä olisi pilkun jälkeen 24 nollaa.

Saartorengas on kiristynyt nopeasti. Kun vielä jokin aika sitten etsintäalue oli laaja, 114–600 gigaelektronivolttia, on rako enää 115–127. Tänä vuonna käydäänkin läpi kaikki, mikä vielä on tutkimatta. Siksi Cern on varma, että Higgsin hiukkanen löytyy vuoden loppuun mennessä – jos on löytyäkseen.

Miksi hiukkaseen uskotaan?

Viime joulukuussa Cernin kumpikin hiukkasta jahtaava jättihanke, CMS ja Atlas, kertoi löytäneensä datastaan pikkuisen poikkeaman, joka saattaisi olla Higgs. Toinen oli 124 gigaelektronivoltin kohdalla, toinen 126:n. Dataa varmistamiseen vain ei vielä – noin 500 triljoonan protonitörmäyksen jälkeen – ollut tarpeeksi. Tämän vuoden kuluessa sitä kuitenkin kertyy nelinkertaisesti lisää.

Jännitystä peliin ovat tuoneet myös Tevatron-havainnot. Tämä Yhdysvaltain Fermilabin hiukkaskiihdytin on jo siirretty eläkkeelle, mutta dataa riittää kahlattavaksi.

Tevatron löysi heikon signaalin 125 gigaelektronivoltin kohdalta, mutta vahvistusta havainnolle ei ole saatu. Se on kuitenkin siinä mielessä merkittävä, että Tevatron etsi Higgsiä eri tavalla kuin Cern.

Higgsin hiukkasta ei voi havaita suoraan. Se voi syntyä voimakkaiden protonisuihkujen yhteentörmäyksessä, mutta saman tien se myös hajoaa muiksi hiukkasiksi. Hajoamisen tapoja on monia, ja Tevatron tarkkaili eri hajoamiskanavaa kuin CMS tai Atlas. On kutkuttavaa, että eri hajoamistuotteita seuraavalla kokeella on saatu alustavasti vihiä hiukkasesta, joka olisi samankokoinen kuin Higgsin hiukkanen.

Vähemmälle huomiolle uutisoinnissa jäi, että sekä CMS että Atlas havaitsi jotakin myös 119 gigaelektronivoltin kohdalla. Onko sielläkin hiukkanen? Higgs vai jokin toinen?

On kerrottu myös tuloksista, jotka saattavat puhua löytöä vastaan. Kun Atlas on saanut aiempaan dataansa lisää tuloksia, havainnon tilastollinen merkitys on heikentynyt. CMS ei ole raportoinut muutoksista.

Mitä löytö tarkoittaisi?

Jos varma havainto Higgsin hiukkasesta meitä tänä vuonna hellii, tilanne ei ole sittenkään kovin yksinkertainen. Mistä tiedämme, että kyseessä on juuri alun perin etsinnän kohteena ollut neula heinäsuovassa? Vai onko se neula laisinkaan? Emme heti mistään.

Ennen kuin löydetyn hiukkasen kaikki ominaisuudet on saatu selville – mihin voi mennä vuosia – voimme vain katsoa, mikä fyysikkojoukko tuulettaa rajuimmin.

Standardimallille löytö olisi toki suuri voitto, mutta toisaalta fyysikoita ei mikään pelota enemmän kuin se, että löytyy ainoastaan se, mitä etsitään. Standardimalli ei ole täydellinen hiukkasmalli eikä siksi sellaisenaan riitä kuvaamaan maailmankaikkeutta viimeistä piirtoa myöten. Jonkin pitäisi paikata kauneusvirheet, kuten gravitaation puuttuminen.

Paniikkiin ei kuitenkaan ole syytä. Standardimallin mukaan käyttäytyvä hiukkanen sopii myös moneen muuhun teoriaan, kuten supersymmetriaan.

Supersymmetriateoria on standardimallin laajennos, joidenkin kilpailuhenkisten mielestä sen kilpailija. Teorian mukaan jokaisella hiukkasella on vastinhiukkanen, niin sanottu superpartneri, ja Higgsin kenttiä on yhden sijaan kaksi ja Higgsin hiukkasia peräti viisi.

Yksi niistä voisi käyttäytyä kuin standardimallin olettama Higgs, siis osoittautua tähtäimessä olevaksi haamuilijaksi, jonka massa olisi noin 125 gigaelektronivolttia. Supersymmetrian olemassaolosta ei vielä ole saatu ainoatakaan kokeellista näyttöä, vaikka Cernissä on etsitty tunnettujen hiukkasten superpartnereita jo pitkään.

Vielä pidemmälle viety laajennos – tai kilpailija – ovat säieteoriat ja niiden kattoteoria, M-teoria. Sen mukaan universumissa ei olekaan ulottuvuuksia neljä, kuten olemme tottuneet ajattelemaan, vaan kymmenen tai yksitoista. Me emme vain kykene havaitsemaan kaikkia, sillä valtaosa ulottuvuuksista on kiertynyt pieneen kippuraan.

Säieteoriat poikkeavat muista kaikkeusteorioista toisellakin tapaa. Ne eivät näe hiukkasia pistemäisinä vaan määrittelevät ne värähtelyksi. M-teorian eräs muunnos kuitenkin esittää, että 117:n ja 127 gigaelektronivoltin haarukassa olisi Higgsin hiukkasen kaltainen hiukkanen.

Säieteorian ongelmana on, että aineelle pystytään laskemaan tuhansia vaihtoehtoisia olemuksia, joita nykyisillä kiihdyttimillä ei mitenkään pysty todistamaan sen enempää oikeiksi kuin vääriksi.

Mihin nollatulos johtaisi?

Kaikkein jännittävintä olisi, ettei koko Higgsin hiukkasta löytyisi. On täysin mahdollista, ettei heinäsuovassa ole neulaa. Vääräleuat ovat laukoneet, ettei saartorenkaan pienentyminen tarkoita löytymisen todennäköisyyden kasvua vaan todennäköisyyttä, ettei hiukkasta olekaan.

Jos Higgsin kenttää ja hiukkasta ei ole, massalle täytyy löytää jokin uusi selitys.

Yksi ehdokas on teknivärimalli. Sen mukaan neljän perusvoiman lisäksi on olemassa myös viides perusvoima, niin sanottu väri. Teknivärimallissa kvarkit korvautuvat teknikvarkeilla, joita on paljon enemmän kuin kvarkkeja. Higgsin bosonia vastaava puuttuva hiukkanen olisi puolestaan hiukkaskimpusta koostuva massahiukkanen, ei Higgsin tapainen alkeishiukkanen.

Teknivärimallistakaan ei ole kokeellisia tuloksia. Keväällä 2011 Fermilabin Tevatron sai tosin vihiä jostakin aivan uudenlaisesta hiukkasesta, jonka uumoiltiin edustavan tekniväriä. Siitä ei kuitenkaan saatu tarpeeksi vahvaa signaalia, eikä löytöä voitu vahvistaa.

Teorioista ei ole pulaa, mutta ehkä kaikkea ei ole vielä hoksattu edes kuvitella. Ehkä Cernin jätti-ilmaisimet paiskaavat eteemme jotain täysin odottamatonta. Ehkä fysiikan uusi aikakausi alkaakin superyllätyksellä, joka saa käsityksemme aineen rakenteesta heittämään kuperkeikkaa.

Maria Korteila on fysiikan diplomi-insinööri ja Tiede-lehden toimittaja. 

Artikkeli on julkaistu Tiede-lehdessä 6/2012

Mikä Higgs

Higgsin hiukkanen eli Higgsin bosoni on hiukkasfysiikan standardimallin puuttuva palanen. Teoreettinen malli, joka kuvaa aineen koostumusta ja luonnon kolmen perusvoiman – heikon, vahvan ja sähkö­magneetisen voiman – vuorovaikutus­suhteita, määrittelee Higgsin hiukkasen alkeishiukkaseksi, jonka välityksellä muut mallin alkeishiukkaset saavat massan. Nämä muut on löydetty kaikki. Vain Higgs on kateissa.

Higgsillä 16 kaveria

Aine koostuu atomeista, jotka puolestaan koostuvat hiukkasista. Alkeishiukkaset ovat perushiukkasia, jotka eivät koostu muista hiukkasista. Standardimallin mukaan niitä on kahta tyyppiä.

Ainehiukkaset eli fermionit muodostavat aineen. Niitä on yhteensä 12.

– Kvarkit, kuusi erilaista, ovat protonien ja neutronien alirakenteita.

– Leptonit, kuusi erilaista, joukossa esimerkiksi atomin sähkövarauksinen elek­troni ja sen neutriino.

Välittäjähiukkaset eli bosonit välittävät luonnon perusvuorovaikutuksia. Niitä tunnetaan neljä, viidettä eli Higgsin bosonia etsitään.

– Fotoni, vaikuttaa elektronien ja atomiydinten välillä, selittää sähkömagneettisen säteilyn ja valon. Muista hiukkasista poiketen fotoni on massaton.

– Gluoni, välittää vahvaa vuorovaikutusta atomiytimissä, sitoo kvarkit protoneiksi ja neutroneiksi.

– W-bosoni, välittää heikkoa vuorovaikutusta atomiytimissä, luo radioaktiivisuuden.

– Z-bosoni, välittää W-bosonien tavoin heikkoa vuorovaikutusta.

Perusvuorovaikutuksiin kuuluu myös gravitaatio, mutta sitä välittävää gravitonia ei ole havaittu eikä standardimalli sitä sisällä.

 

Peräkaneetti

Arkimerkitys kirkastuu hitaasti

Suurin osa meistä elää elämänsä täysin tyytyväisenä tietämättä mitään siitä, miten fyysikot yrittävät ympäröivää maailmaa selittää. Higgsin hiukkasen löytymisestäkään ei seuraa mullistuksia jokapäiväiseen arkeemme. Ainakaan pian.

Välillisesti hiukkasfysiikan tutkimus hyödyttää toki koko ihmiskuntaa. Pelkästään hiukkaskiihdyttimien kehitys on edistänyt lukuisia muita aloja lääketieteestä tietojenkäsittelyyn.

Se, miten fysikaalisen maailmankuvan muuttuminen muuttaa maailmaamme, selviää vasta vuosikymmenten tai vuosisatojen jälkeen. Näin on ollut aina. Kun elektroni löytyi 1800-luvun lopulla, tutkijat nostivat maljan "täysin turhalle hiukkaselle". Millainen sähkövallankumous siitä seurasikaan!

Ennen asiat olivat siinä mielessä paremmin, että tieteen löydöt oli helpompi käsittää. Maapallon saattoi kuvitella kiertämään Aurinkoa, vaikkei sitä omin silmin nähnytkään. Atomimallit, ainakin ensimmäiset niistä, pystyi hahmottamaan vilkkaalla mielikuvituksella.

Mutta miten maallikko voisi käsittää todellisuuden, jossa on 11 ulottuvuutta? Vaikka kuinka pinnistelisi, kolmiulotteinen koordinaatistomme hannaa vastaan.

Joku fyysikko totesi osuvasti fysiikan teorioista, että sanat ovat aivan turhia – tärkeintä on matematiikka. Sen kauniit yhtälöt johdattavat tietämme kohti maailmankaikkeuden suurimpia saloja.

Jokaista uutta teoriaa epäillään, ja monia suomitaan kokeellisten tulosten puutteesta. Yleensä uutta on täysin mahdoton todistaa saman ajan tietämyksellä. Niin kävi suhteellisuusteoriallekin. Todisteet tulivat jälkikäteen.

Kuten aina, historiasta voi ottaa oppia. Kyllähän se naurattaa jo alakoululaista, että maapallon on joskus luultu olevan litteä. Ja hihityttää opiskelijaa, että Einsteiniin saakka avaruuden luultiin olevan täynnä eetteriä. Voi sentään!

Ehkä jo muutaman sukupolven jälkeen tuntuu naurettavalta, että me pidimme useita ulottuvuuksia höpsönä ajatuksena. Kehitys kehittyy, onneksi myös ihmiset.

Maria Korteila

Laulettu sana kuului puhuttua paremmin ja pidemmälle.

Koulujen lukukausi lähestyy loppuaan. Pian tulevat ne ajat, jolloin taas kerran pähkäillään, sopiiko päättäjäisissä laulaa suvivirttä vai ei.

Aiempien vuosien kädenvääntö on osoittanut, että virttä voivat iloisin mielin ja henkisesti häiriintymättä laulaa muutkin kuin luterilaista uskoa tunnustavat. Yhdessä laulaminen vahvistaa yhteistä tunnekokemusta enemmän kuin juhlapuheen kuuntelu.

Suomen evankelisluterilaisessa kirkossa virrellä tarkoitetaan yleensä kirkolliskokouksen hyväksymää hengellistä yhteislaulua, mutta tämä ei ole virsi-sanan vanhin eikä ainoa merkitys.

Virsi on alkanut vakiintua tietynlaisen kirkkolaulun nimitykseksi vasta luterilaisen reformaation myötä.

Reformaation ohjelmaan kuului seurakunnan ottaminen mukaan jumalanpalveluksiin aktiivisesti virsiä laulamalla. Sitä ennen laulusta olivat huolehtineet papit ja heidän koulutetut avustajansa. Muutoksesta seurasi epäilemättä kirkkomusiikin tason dramaattinen lasku, ainakin väliaikaisesti.

Virsi-sana on esihistoriallisella ajalla saatu balttilainen laina, joka alun perin lienee tarkoittanut sanaa tai puhetta. Suomalaisessa kansankulttuurissa virsi on ollut pitkän kertovan runon nimitys. Kalevalan henkilögalleriaan kuuluu virsikäs eli runsaasti runoja taitava Vipunen, ja hänen muistissaan olevaa runovarastoa nimitetään sanaiseksi arkuksi tai virsilippaaksi.

Pitkiä runomuotoisia kertomuksia on tyypillisesti esitetty laulamalla. Laulettu sana kuuluu paremmin ja kauemmas kuin puhuttu. Sävelmä ja kalevalainen runomitta antavat sisällölle muodon, joka on helpompi muistaa ja toistaa kuin vapaa puhe.

Suvivirrelle antaa erityistä viehätystä sanan alkuosa suvi. Se on ikivanha kesää merkitsevä perintösana, jota on käytetty länsimurteissa, mutta nykyään se tuntuu runolliselta ja ylätyyliseltä, kun se on yleiskielessä jo aikoja sitten korvattu itämurteista poimitulla kesä-sanalla. Virressä vaikutelmaa tehostaa vielä alkusointuinen sanayhdistelmä suvi suloinen.

Muissakin tapauksissa suvi on tehokas tunnelman luoja. Suvisunnuntai on autuaan rauhallinen ja kaunis. Suvituuli on lempeä ja lauha, suvipäivä lämmin ja suviyö romanttinen. Kesän alkaessa suunnitellaan proosallisesti aikatauluja ja lasketaan rahoja, mutta suven kynnyksellä haaveillaan tulevan suven parhaista hetkistä.

Kaisa Häkkinen on suomen kielen emeritaprofessori Turun yliopistossa.

Julkaistu Tiede-lehdessä 6/2018

Tutustu sisältöön ja lue uusi lehti digilehdet.fi:ssä.

Tieteessä 6/2018 

PÄÄKIRJOITUS

Eläköön uteliaisuus

Leikkisä mieli ja villit ideat potkivat maailmaa eteenpäin.

 

PÄÄUUTISET

Ystävyys syntyy 200 tunnissa

Läheinen suhde rakentuu yhteisissä riennoissa omalla ajalla.

Lintu suuntii kompassisilmin

Se näkee magneettikentän valoherkän proteiinin ansioista.

Ydin poikii mustia aukkoja

Linnunradan jättimäiselle Sagittarius A:lle löytyi 12 kaveria.

Atlantin merivirta jarruttaa

Hidastuminen varmistui sekä pinnalta että pohjalta.

 

ARTIKKELIT

Seitsemän mahdollista maailmanloppua

Kauhuskenaarioita riittää, mitä sanovat tutkijat.
Uhkaako jokin Maata meidän elinaikanamme?

Keskity! Siihen voi oppia

Ärsyketulva ei pääse häiritsemään tekemisiä,
kun käyttää aivojen toiminnanohjausjärjestelmää.

Kaikkien aikojen kalajuttu

Lohenpoikasten ei tarvitse kasvaa kassissa.

Opioidikriisi alkoi
joka kodin lääkkeestä

1800-luvulla oopiumia käyttivät kaikki.
Se oli halpaa ja hoiti vaivan kuin vaivan.

Antiaine kätkee mysteerin

Kyse on koko universumin olemassaolosta.

Otto Wille Kuusinen
käänsi takkia tarvittaessa

Punaisten ideologi teki itänaapurissa komean uran
pitämällä omana tietonaan, mitä mieltä asioista oli.

 

TIEDE VASTAA

Osaako norsu hypätä?

Missä digitaalinen tieto säilyy pisimpään?

Mihin avaruus laajenee?

Kuka syö Itämeren kalat?

Mikä on Tiede-lehden hiilijalanjälki?

Mistä johtuu raskauspahoinvointi?

 

KIRJAT

Remonttireiskana avaruudessa

Scott Kelly vietti vuoden Kansainvälisellä avaruusasemalla.

 

KUVA-ARVOITUS

Siinähän on ihan selvästi...

Klassikkopalsta kutsuu lukijoita tulkitsemaan kuvia
ehden Facebook-sivustolle.

 

OMAT SANAT

Virsi kantoi kauas

Laulettu sana kuului puhuttua paremmin ja pidemmälle.

 

Jos olet Sanoman jonkin aikakauslehden tilaaja, voit lukea uusimman numeron jutut Sanoman Digilehdet-palvelussa.

Ellet vielä ole ottanut tilaukseesi kuuluvaa digiominaisuutta käyttöön, tee se osoitteessa https://oma.sanoma.fi/aktivoi/digilehdet. Aktivoinnin jälkeen pääset kirjautumaan suoraan digilehdet.fi-palveluun.