Silmukka kiristyy – uusi hiukkanen näyttää yhä varmemmin Higgsin bosonilta

By Lauri A Wendland 15.3.2013 – 15:06 in Aiheeton

Kuluneen kahden viikon aikana hiukkasfyysikot ovat esitelleet “Rencontres de Moriond” -konferenssissa uusia tuloksia mm. liittyen hiukkasfysiikan standardimallin Higgsin bosonin etsintään. Tulosten valossa viime kesänä löydetty uusi hiukkanen näyttää yhä varmemmin Higgsin bosonilta. Seuraavassa tiivistelmä keskeisimmistä uusista tuloksista.

Neljän leptonin muodostaman systeemin massa hajoamiskanavassa X->ZZ->4 leptonia CMS-kokeessa. Lähde: CMS-HIG-13-002.

 

Konferenssissa sekä CMS- että ATLAS-kokeet esittelivät uusimmat tulokset, joissa oli analysoitu koko vuosina 2011-2012 kerätty data, toisin sanoen n. 7 1/fb enemmän kuin marraskuun HCP-konferenssin tuloksissa. Lisääntynyt datamäärä mahdollisti entistä tarkemman uuden hiukkasen (kutsuttakoon sitä tässä X:ksi) tarkastelun eri hajoamiskanavissa. CMS-kokeessa havainnot vastasivat 6.7 keskihajonnan merkitsevyyttä hajoamiskanavassa X->ZZ->4 leptonia, 4.1 keskihajonnan merkitsevyyttä hajoamiskanavassa X->WW, 3.2 keskihajonnan merkitsevyyttä hajoamiskanavassa X->2 fotonia, 2.9 keskihajonnan merkitsevyyttä hajoamiskanavassa X->2 tau sekä 2.2 keskihajonnan merkitsevyyttä hajoamiskanavassa X->bb. ATLAS-kokeessa puolestaan saatiin 7.4 keskihajonnan merkitsevyys X->2 fotonia, 6.6 keskihajonnan merkitsevyys X->ZZ->4 leptonia ja 2.6 keskihajonnan merkitsevyys X->WW hajoamiskanavassa. Hajomiskanavissa X->bb ja X->2 tau ATLAS-koe raportoi pienemmän merkitsevyyden kuin 2 keskihajontaa.

Vaikka tilastolliset merkitsevyydet vaihtelevatkin kokeiden välillä, havainnot kaikissa hajoamiskanavissa sopivat tilastollisesti hypoteesiin Higgsin bosonista. Huomionarvoista on, että useissa yksittäisissä hajoamiskanavissa ylitettiin tiedeyhteisön yleisesti käyttämä löydön (vähintään viisi keskihajontaa) tai todisteen (vähintään kolme keskihajontaa) raja.

Sekä CMS että ATLAS -kokeet esittivät lisäksi myös tuloksensa hajoamiskanavalle X->Z+fotoni. Kummankin kokeen tulokset olivat sopusoinnussa hypoteesin kanssa, että X olisi standardimallin Higgsin bosoni. Uuden hiukkasen massa tarkentui X->2 fotonia ja X->ZZ->4 leptonia hajoamiskanavien perusteella arvoon 125.8 +- 0.4 +- 0.4 GeV CMS-kokeessa ja arvoon 125.5 +- 0.2 + 0.5 -0.6 GeV ATLAS kokeessa, missä ensimmäinen epävarmuus kuvaa mittauksen tilastollista ja jälkimmäinen systemaattista epävarmuutta.

Käyttäen hyväksi hajoamismuotoa X->ZZ->4 leptonia, voidaan leptonien ja Z-bosonien havaituista kulmajakautumista päätellä, mitä uuden hiukkasen spin- ja pariteetti-kvanttiluvut olisivat. Mikäli kyseessä on Higgsin bosoni, täytyy sen spin-kvanttiluvun olla nolla (millään tähän asti tunnetulla alkeishiukkasella näin ei ole) sekä pariteetti-kvanttiluvun olla +1. Tilastomatematiikan avulla voidaan testata, sopivatko havainnot paremmin yksiin Higgsin bosonin vai jonkin muun kvanttitilan kanssa. CMS-kokeessa saatujen tuloksien mukaan spin-kvanttiluku 1 voidaan sulkea pois yli neljän keskihajonnan merkitsevyydellä ja spin-kvanttiluku 2 voidaan sulkea pois 2.7 keskihajonnan merkitsevyydellä. Jos oletetaan, että hiukkasen spin-kvanttiluku on nolla, sulkevat tulokset pois pariteetti-kvanttiluvun -1 3.3 keskihajonnan merkitsevyydellä.

Vasemmalla: Spin-pariteetti -kvanttitilojen 0+ (Higgsin bosoni) ja 0- (pseudoskalaari) ennustetut jakaumat (punaiset viivat) sekä havaittu jakauma (mustat pallot) CMS-kokeen X->ZZ->4 leptonia hajoamiskanavassa. Oikealla: Spin-pariteetti -kvanttitilojen 0+ (Higgsin bosoni) ja 0- (pseudoskalaari) tilastollinen yhteensopivuus. Punainen nuoli osoittaa havaintoja vastaavan arvon. Lähde: CMS-HIG-13-002.

 

Tiivistetysti voidaan siis sanoa, että tulokset osoittavat uuden hiukkasen olevan Higgsin bosoni 90 % luottamustasolla. On kuitenkin syytä huomata, että vaikka saadut tulokset vankentavat entisestään Higgsin bosonin hypoteesia, perustuvat ne sangen pieneen joukkoon törmäysdataa, mikä altistaa tulokset tilastolliselle heilahtelulle. Kysymys siitä, onko uusi hiukkanen juuri standardimallin ennustama Higgsin bosoni, vaatii puolestaan mm. tarkempaa hajoamissuhteiden tarkastelua.

Nähtäväksi jää, paljonko analyyseistä voidaan puristaa vielä irti lopulliseen versioon, joka ilmestynee myöhemmin tänä vuonna. Erityisen mielenkiintoista on se, paljonko kvanttilukujen analyysiä voidaan parantaa kerätyllä datamäärällä yhdistelemällä eri kanavien tuloksia. Varmaa on nimittäin, että datan määrä ei lisäänny ennen vuotta 2015. Siihen asti LHC-törmäytintä varustetaan nykyiseen verrattuna kaksinkertaisella törmäysenergialla ajamista varten. Nyt esitetyt tulokset tekevät uudesta hiukkasesta vahvan kandidaatin Nobelin palkinnon aiheeksi.

 

Linkit:
Tiivistelmä CMS:n tuloksista Moriond -konferenssissa
Linkki animoituun massapiikkiin X->ZZ->4 leptonia kanavassa CMS-kokeessa
Linkki animoituun massapiikkiin X->ZZ->4 leptonia kanavassa ATLAS-kokeessa
CERN:n lehdistötiedote

Aiheeseen liittyvät blogikirjoitukset:
Uusi hiukkanen havaittu CERN:n CMS- ja ATLAS-kokeissa (4.7.2012)
Näyttää Higgsiltä, käyttäytyy kuin Higgs – mutta onko se Higgs? (20.11.2012)

 

Comments (0)

Uusi ilmiö havaittu protonien ja lyijy-ytimien törmäyksissä

By Lauri A Wendland 28.11.2012 – 15:06 in Ajankohtaista

CMS-kokeessa on havaittu uusi ilmiö protonien ja lyijy-ytimien törmäyksissä. Havainto tehtiin tutkimalla pilottiajon n. kahta miljoonaa törmäystapahtumaa CERN:n LHC-törmäyttimessä. Ilmiössä havaitaan, että törmäyspisteestä pois sinkoavat hiukkasparit lentävät suurella todennäköisyydellä samaan suuntaan (kuva 1). Tämä tarkoittaa, että niillä on täytynyt olla joku tapa “kommunikoida”, ts. vuorovaikuttaa, keskenään. Sama ilmiö on aiemmin havaittu lyijy-ytimien törmäyksissä raskasionitörmäyttimissä sekä myös pari vuotta sitten ensimmäistä kertaa kahden protonin törmäyksissä CMS-kokeessa.

Kuva 1: Kahden protoni-lyijy-ydin törmäyksessä syntyneen hiukkasen välinen kulmajakauma tapauksissa, joissa on syntynyt alle 35 jälkeä (vasen), ja tapauksissa, joissa on syntynyt yli 110 jälkeä (oikea). Lähde: CMS-PAS-HIN-12-015

Ilmiölle etsitään edelleen fysikaalista selitystä. Yllättäväksi ilmiön tekee se, että kvarkki-gluoni plasman muodostumista pidetään mahdottomana protonien ja lyijy-ytimien välisissä törmäyksissä. Siksi toistaiseksi suosituin selitys ilmiölle on, että kyseessä olisi uusi jo aiemmin ennustettu aineen olomuoto, ns. color glass condensate, jossa atomiytimen rakenneosasia yhteensitovat gluonit käyttäyvät hetken aikaa nesteenomaisesti.

Lisää protonien ja lyijy-ytimien törmäyksiä on luvassa LHC-törmäyttimellä, kun varsinaiset törmäysajot alkavat tammikuussa.

Linkit:
CMS:n julkaisu
LiveScience:n artikkeli

Comments (0)

Katsaus Higgsin bosoniin ja tulevaisuudennäkymiin – luennoitsijoina P. Higgs ja F. Englert

By Tapio Lampen 26.11.2012 – 12:30 in Ajankohtaista, Tapahtumat

Euroopan parlamentti järjestää tiistaina 27.11.2012 klo 16 Suomen aikaa huippuluokan luentotilaisuuden, jota voi seurata web-lähetyksenä. Luennoissa keskitytään työhön, jonka tuloksena Cernissä kesällä 2012 löydettiin uusi hiukkanen. Pääluennoitsijoita ovat professorit François Englert ja Peter Higgs, jotka johtivat vuonna 1964 sitä teoreettista tutkimusta, joka ennustaa Higgsin bosonin olemassaolo (sähköheikkovoiman spontaani symmetriarikko Brout-Englert-Higgs-mekanismin avulla). Muita esiintyjiä ovat Cernin pääjohtaja prof. Rolf Heuer, teoreettinen fyysikko prof. John Ellis sekä Dr. Steve Myers, Cernin kiihdytinosaston johtaja.

Luentotilaisuutta voi seurata tästä linkistä: http://bit.ly/10H7Z4w .

Samaan tilaisuuteen liittyen järjestetään Euroopan parlamentin Facebook-sivuilla chat professorien Englert ja Higgs kanssa. Chat järjestetään tiistaiaamuna klo 11:45 Suomen aikaa tällä sivulla: http://on.fb.me/WGBTqp .

Comments (0)

Näyttää Higgsiltä, käyttäytyy kuin Higgs — mutta onko se Higgs?

By Lauri A Wendland 20.11.2012 – 15:41 in Uutiset

Viime heinäkuusta lähtien, jolloin ATLAS- ja CMS-koeasemat CERN:ssä julkistivat tiedon uudesta Higgsin kaltaisen bosonin löytymisestä, ovat fyysikot arvuutelleet minkälainen uusi hiukkanen on: onko se pitkään etsitty Higgsin hiukkanen vai jotain aivan muuta? Voisiko se antaa viitteitä, mitä muuta uutta datasta voisi löytyä? Molemmat koeasemat ovat keränneet ja analysoineet huomattavan määrän lisää dataa sitten viime heinäkuun ja julkistivat 16.11. (Hadron Collider Physics -konferenssi) viimeisimmät tuloksensa liittyen tämän uuden hiukkasen ominaisuuksiin. Uudet tulokset vahvistavat kautta linjan aiempia tuloksia.

Heinäkuun tulokset olivat kiistattomia: uusi Higgsin kaltainen bosoni (kutsuttakoon sitä tässä kirjoituksessa nimellä H125) löytyi kahdessa toisistaan riippumattomassa kokeessa yleisesti hyväksytyllä tilastollisella tarkkuudella ja siitä löytyi todisteita useammista hajoamismuodoista. Uusimmissa tuloksissa analysoidun datan määrä on melkein tuplautunut: viime vuotisen datan (5 1/fb @ 7 TeV) lisäksi tänä vuonna kerätystä datasta on käytetty 12 1/fb @ 8 TeV (heinäkuun tuloksissa oli 5 1/fb @ 8 TeV). Koska tilastolliset epävarmuudet dominoivat toistaiseksi useimpien mittauksien epävarmuuksia, tarkoittaa datamäärän tuplaaminen sitä, että tulosten tilastollisen merkittävyyden pitäisi tällöin parantua tekijällä 1.4 (eli neliöjuuri kahdesta). Lisäksi koeasemien mittalaitteiden kalibrointia on parannettu.

Päivitetyissä tuloksissa on keskitytty edelleen viiteen merkittävimpään standardimallin Higgsin bosonin hajoamiskanavaan massan 125 GeV tienoilla, eli

  1. H125 hajoaa kahteen fotoniin,
  2. H125 hajoaa kahteen Z-välibosoniin,
  3. H125 hajoaa kahteen W-välibosonia,
  4. H125 hajoaa kahteen tau-leptoniin sekä
  5. H125 hajoaa kahteen b-kvarkkiin.

Seuraavassa keskitytään CMS-kokeen uusiin tuloksiin, ellei toisin ole mainittu. CMS:n tuloksissa kaikkien muiden edellämainittujen hajoamiskanavien analyysi on päivitetty kahden fotonin hajoamiskanavan analyysiä lukuunottamatta. Analyysiin on lisätty aiemmin julkaisemattomia kanavia, kuten H125 -> ZZ -> 2 elektronia tai 2 myonia + 2 tau-leptonia. Lisäksi osassa analyyseistä lisääntynyt datan määrä on mahdollistanut datan pilkkomisen aiempaa useampaan toisistaan riippumattomaan kategoriaan herkkyyden lisäämiseksi.

Kuva 1 esittää päivitetyt tulokset pähkinänkuoressa. Se esittää mitattua todennäköisyyttä eri Higgsin bosonin massan 125 GeV tuntumassa sille, että havainto olisi vain tunnettujen fysiikan prosessien tilastollista heilahtelua. Kuvissa on eritelty erivärisillä viivoilla todennäköisyys kullekin yllämainitulle viidelle hajoamiskanavalle. Kuvasta havaitaan, että havainnot ovat vahvistuneet jokaisessa päivitetyssä hajoamiskanavassa aiempiin tuloksiin nähden.

Kuva 1: Mitattu todennäköisyys eri H125:n massahypoteeseilla sille, että havainto olisi vain tunnettujen prosessien tilastollista heilahtelua. Lähde: CMS-PAS-HIG-12-045.

 

Kuvassa 1 on niinikään kuvattu mustalla viivalla kaikkien hajoamiskanavien tilastollista yhdistelmää ja katkoviivalla teorian antamaa ennustetta yhdistelmälle. Näistä jälkimmäinen kertoo analyysien herkkyyden. Kuvasta 1 voidaan nähdä, että massahypoteesin 125 GeV kohdalla havaittu todennäköisyys on parantunut likimäärin tekijällä 1.4 (5.0->6.9), joka vastaa juuri datamäärän tuplaamisesta johtuvaa parannusta. 5 keskihajonnan ylittävää tulosta pidetään hiukkasfysiikassa yleisen käytännön mukaan riittävänä todisteena signaalin olemassaololle. Päivitetty tulos antaa H125:n massaksi 125.8 +- 0.4 +- 0.4 GeV, missä ensimmäinen epävarmuus kuvaa tilastollista epävarmuutta ja jälkimmäinen systemaattisista tekijöistä johtuvaa epävarmuutta.

Miten hyvin uudet havainnot sopivat sitten yhteen sen kanssa, että H125 olisi standardimallin Higgsin bosoni? Uudet havainnot ovat  täysin linjassa vanhempien kanssa, niiden merkittävyys on jopa lisääntynyt odotetusti. Kyseessä on siis uusi hiukkanen ja koska se hajoaa välibosoneihin, sen täytyy itsekin olla bosoni. Vaaditaan kuitenkin vielä H125:n ominaisuuksien tutkimista, jotta voitaisiin todeta onko se juuri Higgsin bosoni. Tärkeimmät teorian ennustamat ominaisuudet, jotka H125:n pitäisi täyttää ollakseen Higgsin bosoni, ovat:

  • H125:n aaltofunktion pitäisi olla symmetrinen avaruuden peilauksessa (ts. pariteetti = + ),
  • H125:n spin-kvanttiluvun pitäisi olla 0 (millään tunnetulla alkeishiukkasella spin ei ole nolla),
  • todennäköisyys, jolla H125 hajoaa kuhunkin hajoamiskanavaan, pitää olla yhteensopiva teorian ennusteen kanssa,
  • todennäköisyys, jolla H125 tuotetaan kussakin tuottoprosessissa, pitää olla yhteensopiva teorian ennusteen kanssa sekä
  • todennäköisyys, jolla H125 hajoaa kuhunkin hiukkaseen (voidaan laskea kahdesta edellisestä), pitää olla yhteensopiva teorian ennusteen kanssa.

Uusissa tuloksissa on jo mitattu osa näistä ominaisuuksista.

Kuvassa 2 esitetään mitattu todennäköisyys sille, että H125 hajoaa tiettyyn hajoamiskanavaan (vasen kuva), sekä sille, että H125 tuotetaan tietyssä prosessissa (oikea kuva). Väritetty neliö kuvaa mitattua arvoa ja vaakasuora viiva sen epävarmuutta. Mittausten tilastollista yhdistelmää kuvataan pystysuoralla viivalla ja sen epävarmuutta väritetyllä suorakaiteella. Koska standardimallin Higgsin bosoni vastaa kuvissa vaaka-akselin arvoa 1, voidaan sanoa uusienkin havaintojen olevan tilastollisesti yhteensopivia sen kanssa, että H125 olisi standardimallin Higgsin bosoni. Kahden fotonin hajoamiskanavan tuloksia ei ole päivitetty kuvissa, joten sen ylijäämä on sama kuin aiemmissa tuloksissa. ATLAS-kokeen uusissa tuloksissa (kuva 3), joissa kahden W-välibosonin, kahden tau-leptonin ja kahden b-kvarkin analyysejä on päivitetty, voidaan myös todeta, että havainnot ovat tilastollisesti yhteensopivia sen kanssa, että H125 olisi standardimallin Higgsin bosoni.

Kuva 2: Mitattu tuottotodennäköisyys suhteessa standardimallin Higgsin bosonin teoreettiseen ennusteeseen eri H125:n hajoamiskanaville (vasen kuva), sekä eri H125:n tuottoprosesseissa (oikea kuva). Lähde: CMS-PAS-HIG-12-045.

 

 

Kuva 3: ATLAS-kokeessa mitattu tuottotodennäköisyys suhteessa standardimallin Higgsin bosonin teoreettiseen ennusteeseen eri H125 hajoamiskanaville. Lähde: ATLAS-CONF-2012-162.

 

Hajoamiskanavista ja niiden tuottoprosessista voidaan myös laskea todennäköisyys sille, että H125 hajoaa tiettyihin hiukkasryhmiin tai alkeishiukkasiin ja tutkia mitattua arvoa teorian antamiin ennusteisiin. Kuvassa 4 verrataan H125 hajoamistodennäköisyyttä fermioneihin (F) ja bosoneihin (V) (vasen kuva) sekä gluoneihin (g) ja fotoneihin (gamma) (oikea kuva) perustuen CMS:n tuloksiin. Kuvissa risti osoittaa mittauspistettä ja sen ympärillä olevat samankeskiset soikiot 68 %, 95 % ja 99.7 % luottamusvälejä. Teorian ennuste on kuvattu timantilla. Molemmissa tapauksissa havainnot poikkeavat jonkin verran teorian ennusteesta, mutta koska poikkeama on alle kahden keskihajonnan verran, se ei ole tilastollisesti merkittävää.

Kuva 4: H125:n hajoamistodennäköisyys fermioneihin (F) ja bosoneihin (V) (vasen kuva) sekä gluoneihin (g) ja fotoneihin (gamma) (oikea kuva). Lähde: CMS-PAS-HIG-12-045.

 

Uudet tulokset mahdollistavat ensimmäistä kertaa myös H125:n pariteetin tutkimisen. Mittauksessa on käytetty hyväksi hajoamiskanavaa, jossa H125 hajoaa kahteen Z-välibosoniin ja Z edelleen kahteen elektroniin tai kahteen myoniin. H125:n symmetrisyys tai antisymmetrisyys avaruuden peilauksessa aiheuttaa nimittäin eroavaisuutta siihen, mihin kulmaan Z-välibosonien liikemäärä todennäköisimmin osoittaa törmäysakselin suhteen. Kuvassa 5 on esitetty teorian ennustamat jakaumat symmetriselle (vaakaviivoitus) ja antisymmetriselle (pystyviivoitus) tapaukselle CMS-kokeessa olettaen, että H125:n spin on nolla. Paksu nuoli osoittaa mitatun arvon. Jos oletetaan, että H125:n spin on nolla, niin mikäli sen aaltofunktio olisi antisymmetrinen,  todennäköisyys havaita mitattu arvo olisi vain 2.4 %. Tämä todennäköisyys on vielä suuntaa-antava yleisesti käytettyihin rajoihin verrattuna. Lisäksi, mittauksella ei ole toistaiseksi pystytty osoittamaan onko H125:n spin 0 vai 2.

Kuva 5: Teorian ennustamat jakaumat symmetriselle (vaakaviivoitus) ja antisymmetriselle (pystyviivoitus) H125:n aaltofunktiolle avaruuspeilauksissa sekä mitattu arvo olettaen, että H125:n spin-kvanttiluku on nolla. Lähde: CMS-PAS-HIG-12-045.

 

Mittaukset ovat siis edelleen tilastollisesti yhteensopivia sen kanssa, että H125 olisi standardimallin Higgsin bosoni. Sitä voidaan siis edelleen perustellusti kutsua Higgsin kaltaiseksi bosoniksi, mutta sen ominaisuuksia ei kuitenkaan ole vielä pystytty mittaamaan riittävällä tarkkuudella, jotta voitaisiin todeta sen olevan juuri Higgsin bosoni. Tehdyissä mittauksissa suurin epävarmuus tulee edelleen tilastollisesta epävarmuudesta, mitä voidaan pienentää analysoidun datan määrää lisäämällä. Jotta voitaisiin sanoa mistä hiukkasesta on kyse, tarvitaan siis lisää dataa. Datan määrän lisäksi myös analyysimenetelmien edelleenparantaminen mahdollistaa entistä tarkempien tuloksien saamisen.

Katseet kääntyvät siis kohti maaliskuun alussa olevaa Moriondin 2013 konferenssia, joka lienee seuraava looginen ajankohta tulospäivityksille. Silloin analyysien käytössä lienee taas melkein kaksinkertainen määrä dataa viimeisimpiin tuloksiin nähden. Se tarkoittaa paljon työtä kalibroinnin ja analyysien parantamisessa, mutta myös kutkuttavia aikoja niin kokeellisille kuin teoreettisille fyysikoille: saas nähdä mitä uutta hiukkasesta siihen mennessä paljastuu.

 

Lisätietoa:
CMS:n viimeisimmät Higgs-etsintätulokset
Yhteenveto CMS:n viimeisimmistä tuloksista
ATLAS:n viimeisimmät Higgs-etsintätulokset
Yhteenveto ATLAS:n viimeisimmistä tuloksista

Comments (0)

Uusi hiukkanen havaittu CERN:n CMS- ja ATLAS -kokeissa

By Lauri A Wendland 4.7.2012 – 10:00 in Aiheeton

CERN:n seminaarissa 4.7.2012 LHC-kiihdyttimen CMS- ja ATLAS -kokeet ilmoittivat havainneensa uuden hiukkasen. Hiukkasen massa on 125.3 +- 0.6 GeV ja se havaittiin sekä CMS- että ATLAS -kokeissa useissa toisistaan riippumattomissa hajoamiskanavissa. Vahvistus sille, onko havaittu uusi hiukkanen todella Higgsin bosoni vai ei, saataneen loppuvuodesta, sillä dataa tarvitaan lisää uuden hiukkasen ominaisuuksien määrittämiseen.

Oikea CMS-kokeen törmäystapahtuma, jossa on syntynyt 4 myonia (punaiset viivat). Keltaiset viivat kuvaavat muita törmäyksessä syntyneitä varattuja hiukkasia.

CERN:n seminaarissa 4.7.2012 paljastettiin uusimmat CMS- ja ATLAS-kokeiden tulokset liittyen Higgsin bosonin etsintään. Tuloksia varten analysoitiin koko viime vuoden data (5/fb) sekä kesäkuun loppuun mennessä kerätty tämän vuoden data (6/fb). Analysoitu datamäärä siis suurinpiirtein tuplaantui aikaisempaan julkaistuihin analyyseihin nähden. LHC-kiihdyttimen törmäysenergiaa nostettiin 7 TeV:stä 8 TeV:iin, mikä nostaa teorian mukaan hiukkasfysiikan standardimallin Higgsin bosonin tuottotodenäköisyyttä n. 25-30 %.

Higgsin bosonin odotetaan olevan olemassa, koska se liittyy yksinkertaisimpaan toistaiseksi tunnettuun mekanismiin, joka voisi tuottaa eri hiukkasille massan. Higgsin mekanismissa Higgsin bosoni kytkeytyy jokaiseen hiukkaseen, jolla on massa. Tämä tekee sen löytämisen hyvin haastavaksi, sillä Higgsin bosoni hajoaa hyvin monella eri tavalla. Aiemmat analyysit olivat kuitenkin jo kutistaneet mahdolliset Higgsin bosonin massan arvot varsin kapeaan alueeseen, jonka perusteella nyt julkaistuissa analyyseissä oli mahdollista keskittyä etsimään Higgsin bosonia kymmenien eri hajoamiskanavien sijaan viidestä kaikkein herkimmästä hajoamiskanavasta (kaksi fotonia, kaksi Z-bosonia, kaksi W-bosonia, kaksi tau-leptonia sekä kaksi b-kvarkkia).

Lokaali P-arvo hiukkasen massan funktiona (hypoteesina käytetty Higgsin bosonia), eli todennäköisyys sille, että havainnoitu data on yhteensopiva hypoteesin "data kuvaa pelkkiä taustaprosesseja" kanssa.

Analyyseissä mitattiin ja analysoitiin huolellisesti taustaprosessit, joiden tiedetään antavan vähän samannäköisen jäljen kuin mitä Higgsin bosoni saattaisi antaa. Kalibrointiin ja varmennuksiin käytettiin lähes kaikkia tunnettuja hiukkasfysiikan prosesseja. Tärkeimmät taustaprosessit mitattiin suoraan datasta alueissa, joissa mahdollinen Higgsin bosonin signaali ei pääse vaikuttamaan analyysiin. Taustaa verrattiin sitten tilastollisin menetelmin datasta tehtyyn havaintoon. Julkaistu hajoamiskanavien yhdistetty tulos osoittaa, että standardimallin Higgsin bosonin olemassaolo olisi voitu sulkea pois, ellei datassa olisi selvä poikkeama taustasta massa-arvoilla 122-127 GeV.  CMS:n analyysissä havaittu poikkeama eroaa hypoteesista, että havaittaisiin pelkästään taustaprosesseja, n. viiden keskihajonnan (5 sigmaa) verran (ks. viereinen kuva), mitä pidetään yleisesti luotettavan havainnon rajana. Toisinsanoen, olettaen että mittausepävarmuudet noudattavat Gaussista jakaumaa, todennäköisyys sille, että havainto on tilastollista heilahtelua on vain 0.00003 %.

Merkittäväksi havainnon tekee se, että se on havaittu itsenäisesti sekä CMS- että ATLAS-kokeissa ja niissä useissa hajoamiskanavissa. Uusi havainto on myös sopusoinnussa aikaisemmin julkaistujen CMS- ja ATLAS -tulosten kanssa. Joulukuussa 2011 raportoitu pieni poikkeama datassa taustaprosesseihin pysyi uudessa tuloksessa samassa kohdassa ja analyysien sensitiivisyys on kasvanut samassa suhteessa kuin mitä datan lisäämisen odottaisi tekevän. Tuloksia tukee myös vastikään Yhdysvalloissa Fermilaboratoriossa julkistetut tulokset CDF- ja D0-kokeista, joissa havaittiin pieni standardimallin Higgsin bosonin kanssa sopiva ylijäämä 115-140 GeV:n massa-alueella.

Tulokset hajoamiskanava kerrallaan CMS-kokeessa

Kahdessa herkimmässä hajoamiskanavassa (kaksi fotonia sekä kaksi Z-bosonia) havaittiin datassa selvä poikkeama odotetusta taustajakaumasta. Näissä kanavissa erottelukyky uuden hiukkasen massalle on erittäin hyvä ja uuden hiukkasen aiheuttama massapiikki voitiin saada esiin taustajakauman päällä. Kahden fotonin lopputilassa saavutettiin yli neljän keskihajonnan merkittävyys ja kahden Z-bosonin lopputilassa yli kolmen keskihajonnan merkittävyys. WW-lopputilassa merkittävyys jäi n. 1.5 keskihajontaan, kun taas kahden tau-leptonin sekä kahden b-kvarkin lopputiloissa, joissa massan erottelukyky on varsin huono, jäätiin alle 1 keskihajonnan merkittävyyteen.

Vasemmalla: Kahden fotonin systeemin massajakautuma (mustat pallukat kuvaavat havaintoa datasta, punainen viiva kuvaa taustaprosessien mitattua määrää ja keltainen sekä vihreä alue kuvaavat taustaprosessien määrän mittaustarkkuutta). Oikealla: Neljän leptonin (4 myonia/4 elektronia/2 myonia+2elektronia) systeemin massajakautuma (mustat pallukat kuvaavat havaittua dataa, siniset ja vihreät alueet mitattuja taustaprosessien määriä ja punainen viiva visualisoi miltä 126 GeV:n massainen uusi hiukkanen näyttäisi Higgsin bosonin hypoteesilla).

Yhteensovitettu tulos sille, kuinka paljon eri hajoamiskanavissa nähdään uuden hiukkasen signaalia verrattuna odotukseen siitä, mitä standardimallin Higgsin bosonin pitäisi antaa, kertoo, että uutta hiukkasta havaitaan 0.80 +- 0.22 kertaa niin paljon kuin mitä odotetaan standardimallin Higgsin bosonin antavan. Tulokset ovat siis tilastollisesti yhteensopivia standardimallin Higgsin bosonin kanssa, mitä vastaa luku 1. Myös eri Higgsin bosonin tuottomuodot (tärkein gluoni-gluoni fuusio, sen jälkeen vektoribosonifuusio (VBF), Higgs-säteily (VH) sekä assosioitu top-kvarkki tuotto (ttH)) ovat tilastollisesti yhteensopivia standardimallin Higgsin bosonin kanssa.

Onko havaittu uusi hiukkanen Higgsin bosoni?

Vaikka uusi hiukkanen on havaittu useissa hajoamiskanavissa, jotka ovat tilastollisesti yhteensopivia standardimallin Higgsin bosonin kanssa, on dataa silti liian vähän siihen, että voitaisiin luotettavasti sanoa mikä hiukkanen on kyseessä. Uuden hiukkasen tunnistamiseksi täytyy tutkia tarkemmin sen ominaisuuksia. Teoria ennustaa, että standardimallin Higgsin bosonin spin-kvanttiluku on, toisin kuin millään tunnetulla alkeishiukkasella, nolla. Teoria ennustaa myös, että hiukkanen käyttäytyy symmetrisesti vasenkätisen ja oikeakätisen koordinaatiston välillä, ts. sen pariteetin odotetaan olevan +1. Lisäksi standardimallin Higgsin bosonin hajoamissuhteet, ts. millä todennäköisyydellä se hajoaa mihinkin hajoamiskanavaan, ovat tarkkaan ennustetut tapauksille, jossa Higgsin bosoni hajoaa välibosoneihin tai fotoneihin. Kesäkuun loppuun mennessä kerätty datamäärä ei riitä tekemään luotettavaa johtopäätöstä näistä ominaisuuksista. Eräs avoin kysymys on myös se, että jos havainto osoittautuisi Higgsin bosoniksi, onko niitä useampia kuin yksi?

Hyvä uutinen on se, että LHC-kiihdyttimen odotetaan tuottavan tänä vuonna dataa vielä n. 15/fb verran. Ennusteiden mukaan tämän pitäisi riittää uuden hiukkasen ominaisuuksien tutkimiseen ja vastaamaan kysymykseen siitä, onko kyseessä Higgsin bosoni vai ei. Monikymmenvuotinen etsintä näyttää siten tulevan päätökseen tämän vuoden lopussa tai vuoden 2013 alussa. Osoittautuipa uusi hiukkanen Higgsin bosoniksi tai ei, sen seuraukset tulevat viitoittamaan tietä seuraavien energiaskaalojen tutkimiseen.

Lisätietoa
CMS-kokeessa on mukana kolme suomalaista tutkimusryhmää Fysiikan tutkimuslaitoksesta, Helsingin yliopistosta ja Lappeenrannan teknillisestä yliopistosta. CMS-kokeen suunnittelu aloitettiin vuonna 1992 ja sen rakennustyöt kestivät 16 vuotta. Rakennustöihin sekä kokeen käynnissäpitämiseen ja datan analysointiin on osallistunut 3275 fyysikkoa (mukaanlukien 1535 opiskelijaa) sekä 790 insinööriä 179:stä instituutista tai yliopistosta 41 maasta.

Linkki seminaariin: https://indico.cern.ch/conferenceDisplay.py?confId=197461
Linkki CMS:n tulossivuun: http://cms.web.cern.ch/news/july-4th-seminar-new-cms-higgs-search-results

http://blogs.helsinki.fi/higgshunters/2012/07/04/cernkesa2012seminaari

Comments (1)

Ollako vai ei?

By Mikko 25.6.2012 – 10:00 in Ajankohtaista

Kas siinä kysymys Higgsin bosonille, joka ehkä ratkeaa pian. CERN on ilmoittanut pitävänsä seminaarin Higgs-jahdin uusista tuloksista keskiviikkona 4. heinäkuuta klo 10 Suomen aikaa. Ennakkolaskelmien mukaan dataa pitäisi nyt olla kasassa riittävästi, jotta viime vuonna saatu mahdollinen vihje Higgsin bosonista voidaan joko vahvistaa tai kumota.

Ilmoitettu seminaariajankohta osuu yksiin Melbournessa, Australiassa alkavan merkittävän hiukkasfysiikan konferenssin ICHEP:in kanssa. Konferenssissa esitellään LHC:n tämän vuoden ajojen tärkeimpiä tuloksia, joille Higgs-seminaari toimii alkusoittona (suora lähetys: webcast.cern.ch).

Datan keruu ICHEP-konferenssia varten päättyi vasta maanantaina 18. kesäkuuta, joten hiukkasfyysikot paahtavat nyt yötä päivää datan analysoinnin parissa. Dataa kertyikin mukavasti, hieman yli 6/fb, joka on karvan verran enemmän kuin viime vuonna. Törmäysten energiaa on myös nostettu 7 TeV:stä 8 TeV:iin, jonka pitäisi myös lisätä mahdollisen Higgsin bosonin tuottoa 20–30%.

Vuosina 2010, 2011 ja 2012 kerätty datamäärä. Yksi fb-1 vastaa lähes 100 triljoonaa protoni-protonitörmäystä.

Hiukkasfyysikot ovat siis syystäkin innolla odottamassa uusia tuloksia. Uusi data vastaa määrältään pitkälti viimevuotista, joten siitä saatavat tulokset ovat suoraan vertailukelpoisia aiempiin.

Aiempien ennusteiden (CMS, ATLAS) perusteella yhdistämällä vuosien 2011 ja 2012 data voidaan joko päästä melko lähelle viiden sigman rajaa, joka on alalla perinteinen standardi uusille löydöille, tai rajata Higgsin bosoni 95% todennäköisyydellä pois koko odotetulta massa-alueelta.

Ennuste Higgsin signaalin merkittävyydelle massan funktiona. Vuosien 2011 (5 fb-1, 7 TeV) ja 2012 (5 fb-1, 8 TeV) yhdistelmä on suunnilleen punaisten viivojen puolivälissä.

Kuinka viikon päästä sitten käy, riippuu sekä fyysikoiden kovasta työstä analyysien herkkyyden parantamiseksi että tilastollisten vaihteluiden takia puhtaasta tuurista. Huonolla onnella bosonin olemassaolo voi jäädä yhä mysteeriksi, kun taas hyvällä onnella jahti voi jo ratketa odotettua aiemmin.

Mitä Higgsin löytymisestä tai löytymättä jäämisestä sitten voi seurata? Mikäli Higgsiä ei löydy koko haetulta massa-alueelta, joutaa iso osa viime vuosikymmenten teoreettisesta työstä romukoppaan, ja teoreetikot pääsevät aloittamaan puhtaalta pöydältä. Kokeilijat taas jatkavat etsintöjä muista uusista hiukkasista, jotka voisivat korvata Higgsin bosonin.

Jos taas viime vuonna tehdyt havainnot vahvistuvat todelliseksi löydöksi, alkaa tarkempi selvitystyö löydetyn hiukkasen ominaisuuksista. Higgsin bosonin ennustavia teorioita on standardimallin lisäksi useita muitakin, joten aivan heti Higgsin identiteetti ei selvinne. Osa teorioista ennustaa myös useita Higgsin bosoneita sekä muita hiukkasia, joiden jahtaamista kokeilijat jatkavat.

Lisää netissä: Teoreettinen fyysikko Syksy Räsänen blogaa Tiede-lehdessä, jonka uusimmassa numerossa kerrotaan myös Higgsin bosonin etsinnöistä.

Comments (0)

Higgs 2012

By Mikko 5.1.2012 – 11:35 in virstanpylväät

Takana on jännittävä vuosi Higgsin hiukkasen metsästyksessä. Nyt vuoden vaihduttua on hyvä aika katsoa, mitä kaikkea saatiin aikaan, ja mitä tulevalta vuodelta odotetaan.

Tuloksia Higgsin hiukkasen metsästyksestä esiteltiin vuoden 2011 kuluessa kolmeen otteeseen: ensimmäisen kerran kesällä Lepton Photon -konferenssissa Intian Mumbaissa käyttäen noin 20% koko vuoden datasta, toisen kerran syksyllä Pariisissa Hadron Collider Physics -symposiumissa yhdistäen Atlas- ja CMS-kokeiden tulokset, ja kolmannen kerran erityisessä CERNin Higgs-seminaarissa joulukuussa käyttäen koko vuoden dataa.

Higgsin hiukkanen on pilkahdellut vuoden kuluessa piiloon ja näkyviin. Ensimmäisiä pienen pieniä vihjeitä nähtiin jo Mumbaissa, mutta Pariisin konferenssiin mennessä signaali oli jälleen heikentynyt.

Rajat Higgsin hiukkaselle ATLAS-kokeella: 115--131 GeV.


Rajat Higgsin hiukkaselle CMS-kokeella: 114--126 GeV.

Vakuuttavimmat vihjeet nähtiin joulukuussa, jolloin etsintöjen sensitiivisyys oli ensimmäistä kertaa sellainen, että Higgsin hiukkasesta voisi jo olettaakin näkyvän ensimmäisiä merkkejä. Oli Higgsin hiukkanen olemassa tai ei, sen piilopaikat ovat vuoden kuluessa käyneet vähiin. Aiempi 114–600 GeV alue on kutistunut 115–126 GeV rakoon.

Tulevan vuoden alkupuoliskolla odotetaan CMS- ja ATLAS-kokeiden yhdistämistä, jolloin saadaan selville, kuinka yhteensopivia kokeiden tulokset ovat mahdolliselle signaalille. Joitain spekulaatioita on toki mahdollista tehdä jo tässä vaiheessa.

Higgsin hiukkasta ei voida havaita suoraan, vaan sitä jäljitetään datasta eri hajoamiskanavissa. Teoria ennustaa varsin tarkkaan, kuinka monta Higgsin hiukkasta syntyy ja hajoaa eri kanaviin, kun hiukkasen massa tunnetaan.

Hajoamiskanavat voi karkeasti jakaa kahteen tyyppiin: sellaisiin, joissa hajoavan hiukkasen massa voidaan selvittää tarkasti, ja toisiin, joissa massaresoluutio on heikko. Esimerkkejä ensimmäisestä ovat Higgsin hajoamiset kahteen fotoniin tai Z-bosoniparin kautta neljään leptoniin (4e, 4mu, 2e2mu), jälkimmäisestä hajoamiset kahteen b-kvarkkiin, kahteen tau-leptoniin tai W-bosoniparin kautta kahteen leptoniin ja kahteen neutriinoon.

Huonon massaresoluution omaavat kanavat vihjaavat, että Higgs voi olla jossain nykyisen massaikkunan 115–127 GeV sisällä, kun taas paremman resoluution kanavat voivat määrittää Higgsin massan tarkemmin kyseisen ikkunan sisältä.

Mikä tekee nykyisestä vihjeestä mielenkiintoisen, on se että sekä ATLAS- että CMS-kokeet näkevät ylimäärää hiukkasia huonon resoluution kanavissa, ja vihjeitä Higgsin hiukkasesta 124-126 GeV:n paikkeilla tarkan resoluution kanavissa. Ylimäärä on myös konsistentti standardimallin ennusteiden kanssa.

Neljän leptonin eventit CMS-kokeella. Alakuva esittää kunkin yksittäisen eventin massanmittauksen virheineen.


Neljän leptonin eventit ATLAS-kokeella.

On kuitenkin syytä painottaa, että havaitut ylimäärät ovat edelleen hyvin pieniä: CMS näkee yhden 4e ja yhden 2e2mu eventin 126 GeV paikkeilla, kun ATLAS taas näkee yhden 4mu ja kaksi 2e2mu eventtiä välillä 123.6–124.6 GeV.

Näin pienet ylimäärät ovat edelleen normaalin tilastollisen vaihtelun puitteissa taustalle, jonka odotusarvo massaresoluution kokoisella noin 5 GeV:n alueella on 0.5–1.5 eventtiä.

Kahden fotonin eventit CMS- ja ATLAS-kokeilla. Higgsin hiukkasen hajoamiset voivat näkyvät pienenä kuhmuna muuten tasaisessa jakaumassa, mutta myös tilastollinen vaihtelu tuottaa satunnaisia kuhmuja. ATLAS-kokeen skaalaamaton massapiikki antaa hyvän kuvan, kuinka pieni signaali vielä on.

Kahden fotonin kanavassa laskennalliset ylijäämät ovat hieman suurempia (n. 20–40), mutta tunnetuista standardimallin prosesseista syntyy taustaeventtejä, joiden lukumäärä on yli kymmenkertainen signaaliin verrattuna kussakin massapisteessä.

Kaikki fotoni-fotonikanavassa havaitut ylijäämät eivät myöskään ole konsistentteja neljän leptonin eventtien kanssa.

Tarkan resoluution kanavissa täytyy myös huomioida ns. “look-elsewhere” efekti. Koska Higgsin hiukkasta etsitään yhä monelta eri massalta suhteellisen leveän massaikkunan sisältä, on paljon todennäköisempää, että matalakin tausta tuottaa väärän signaalin, kuin jos Higgsin hiukkasta etsittäisiin vain yhdeltä tietyltä massalta.

Hyvä esimerkki satunnaisfluktuaatioista näyttäisi olevan CMS-kokeen kolmen 4mu eventin klusteri noin 119 GeV:n paikkeilla. Tämäkin voisi olla vihje Higgsin bosonista, mutta se ei ole yhtä konsistentti eri kanavien välillä kuin 125 GeV:n vihje, eikä ATLAS-koe näe tällä massalla ylijäämää.

Nykyinen vihje 125 GeV:n paikkeilla on konsistentti standardimallin Higgsin hiukkanen eri kanavien ja eri kokeiden välillä, mutta vihjeen tilastollinen merkittävyys kussakin yksittäisessä kanavassa on edelleen pieni. Tilastollisesti laskien todennäköisyys sille, että nyt havaittu signaali on syntynyt satunnaisfluktuaatioista on jotain 2% ja 10% välillä.

Datan yhteensopivuus standardimallin ennustusten kanssa eri Higgsin hiukkasen massoille. Kokeiden tulokset ovat konsistentteja standardimallin Higgsin hiukkasen kanssa, jonka massa on noin 125 GeV.

Nykyinen vihje jakaakin vielä tutkijoiden mielipiteet, sillä sen merkittävyys riippuu suuresti siitä, kuinka todennäköisenä Higgsin hiukkasen olemassaoloa on ennakkoon pitänyt (ks. Bayesilainen tilastotiede).

Jos Higgsin hiukkasen olemassaololle on ennen nykyisiä mittauksia antanut 2% prosentin todennäköisyyden, voi Higgsin hiukkasta vastaan yhä lyödä vetoa suhteella 10:1. Jos taas on odottanut Higgsin löytyvän 50% varmuudella, voi nyt korottaa vedonlyöntisuhdetta sen puolesta suhteeseen 10:1.

Oli asia niin tai näin, vuoden 2012 lopulla ollaan jo paljon viisaampia. Vuoden aikana on tarkoitus kerätä noin nelinkertainen määrä dataa nykyiseen verrattuna sekä yhdistää ATLAS- ja CMS-kokeiden tulokset. Ennusteiden mukaan tämän pitäisi riittää joko sulkemaan Higgsin hiukkasen olemassaolo pois, tai löytämään vahvistus nykyiselle signaalille.

Keveällä Higgsin hiukkasella on myös seurauksia muihin uusien hiukkasten etsintöihin. Jos Higgsin hiukkanen olisi riittävän massiivinen, se voisi vakauttaa standardimallin Planckin massalle asti, ja olisi mahdollisesti viimeinen hiukkanen, joka voidaan löytää hiukkaskiihdyttimillä.

Standardimallin stabiilisuus eri skaaloilla riippuu Higgsin hiukkasen massasta. Jos Higgsin hiukkasen massa on noin 125 GeV, standardimallin laskut eivät enää anna järkeviä tuloksia yli 10^9 GeV energialla (LHC:n energia on nyt 3.5x10^3 GeV).

Kevyt Higgsin hiukkanen kuitenkin vaatii vähintään yhden kumppanin, jotta nykyisen standardimallin laskelmat eivät kaadu äärettömyyksiin nykyistä korkeampienergisilla törmäyksillä. Yksi mahdollinen vaihtoehto ovat supersymmetriset hiukkaset, joista kevein on hiukan massiivisempi, kuin tähän asti on pystytty havaitsemaan.

Vuoden alussa lehdistössä oltiin jo valmiita hautaamaan kauan tutkitut supersymmetriset teoriat. Keveä Higgsin hiukkanen kuitenkin vaatii, että keveimmänkin supersymmetrisen hiukkasen täytyy olla varsin massiivinen. Tämän takia ne ovat hyvinkin voineet jäädä vielä havaitsematta ajettaessa LHC:tä puoliteholla.

Tulevasta vuodesta näyttää siis tulevan jännittävä niin Higgsin hiukkasen kuin muidenkin uuusien hiukkasten metsästyksessä. Maya-kalentereiden ennustamaksi väitetty maailmanloppu 2012 tuskin tulee, mutta hiukkasfysiikassa voi hyvinkin alkaa uusi aikakausi.

Jutun tiedot ja kuvat perustuvat pääasiassa CERNin Higgs-seminaariin 13.12.2011.

Jännittäviä hetkiä edessä

By Tapio Lampen 13.12.2011 – 14:34 in Aiheeton
Tagged

Hetken päästä, eli klo 15 Suomen aikaa tiistaina 13.12., CERNin webcast-palvelussa webcast.cern.ch alkaa lähetys, jossa julkistetaan vuoden 2011 tulokset standardimallin Higgsin bosonin etsinnöistä. Lähetyksen ohjelma on seuraava:

15:00 – 15:40 ATLAS-kokeen esitys
15:40 – 16:20 CMS-kokeen esitys
16:20 – 17:00 Yleisön kyselytilaisuus

Esitystä voi seurata myös Helsingissä Fysiikan tutkimuslaitoksen HIPin seminaarihuoneessa A315.

Noin klo 16:20 julkistetaan myös lehdistötiedote, joka löytyy tämän
linkin takaa. Julkistamista ennen linkki ei toimi. Lehdistötiedote on löytyy sekä englanniksi että suomeksi.

CERN on kertonut tuloksista jo etukäteen sen, että Higgsin bosonin etsinnässä on edistytty merkittävästi sitten kesän 2011 tulosten, mutta lopullisia päätelmiä Higgsin bosonin olemassaolosta tai olemattomuudesta ei vielä voida tehdä, tähän tarvitaan vielä enemmän

Tulosten julkistaminen jo näin nopeasti osoittaa, kuinka hyvin ja tehokkaasti LHC-kiihdytin, sen koeasemat sekä niihin liittyvät organisaatiot toimivat.

Lisätietoa mediassa:

  • Wikipedian artikkeli Higgsin bosonista
  • Uusi Suomi -verkkolehti
  • BBC:n artikkeli

    • Joko Higgs häämöttää?

    By Mikko 7.12.2011 – 14:05 in Aiheeton

    Tiistai 13.12. on hiukkasfyysikoille mielenkiintoinen päivä. Kaikki vuoden 2011 aikana kerätty data on nyt analysoitu, ja CMS- ja ATLAS-kokeiden johtajat julkistavat kokeidensa Higgsin bosonin etsintätulokset. Tulosten julkistamista voi seurata suorana klo 15:00 Suomen aikaa CERNin webcast-palvelussa osoitteessa webcast.web.cern.ch.

    Higgsin jahdissa on kuluneen vuoden aikana edetty jo hyvin. Viimeisimmät HCP-konferenssissa Pariisissa marraskuussa esitellyt LHC:n tulokset yhdistettynä LEPin ja Tevatronin aiempiin tulokseen sekä muihin epäsuoriin mittauksiin rajoittavat Higgsin bosonin piilopaikkoja merkittävästi.Todennäköisin massa Higgsin bosonille, mikäli hiukkasfysiikan ns. standardimalliin on uskomista, on välillä 115-141 GeV.

    Higgs on kuitenkin hankala hiukkanen löytää. Analysoidun datan määrä verrattuna aiempaan on noin kaksinkertaistunut, mutta kuten CERNin pääjohtaja Heuer toteaa: “tämä riittää merkittävään edistymiseen Higgsin bosonin etsinnässä, mutta ei vielä lopullisiin päätelmiin Higgsin bosonin olemassaolosta tai olemattomuudesta.”

    Viimeisimmät LHC:n mittaukset rajoittavat Higgsin bosonin massan välille 114-141 GeV yhdessä LEP- ja Tevatron-kiihdyttimien tulosten kanssa.

    Uusia tuloksia odotellessa on hyvä aika hieman kerrata Higgsin fysiikkaa.

    Higgsin mekanismi, joka ennustaa Higgsin bosonin olemassaolon, kehitettiin selittämään raskaiden vektoribosonien Z ja W massat. Nämä ovat fotonien kaltaisia sähköheikon vuorovaikutuksen välittäjähiukkasia, mutta toisin kuin massaton fotoni, ne painavat enemmän kuin rauta-atomin ydin.

    Heikko vuorovaikutus, joka on heikko nimenomaan Z ja W bosonien massan takia, tarvitaan selittämään mm. aineen radioaktiiviset hajoamiset sekä lukuisat ydinreaktiot auringon ytimessä. Nämä bosonit löydettiin CERNissä jo 1983, ja LHC:kin on ehtinyt tuottaa niitä jo miljoonia.

    Higgsin bosoneitakin pitäisi standardimallin mukaan olla syntynyt jo tuhansia. Suurin osa niistä kuitenkin hajoaa b-kvarkkeihin, jotka hukkuvat samanlaisten, mutta noin miljoona kertaa yleisempien taustaprosessien sekaan. Vain muutama prosentti tai promille hajoaa tavoilla, joilla ne kyetään lopulta erottamaan taustasta.

    Tällä hetkellä voisi sanoa, että teoria ennustaa Higgsin bosonista kaiken, paitsi onko se olemassa. Teoreettiset laskut kertovat kuinka Higgsin bosonit syntyvät, kuinka ne hajoavat ja mitä ominaisuuksia niillä pitäisi olla, riippuen bosonin massasta. Kokeelliset tulokset taas kertovat mikä Higgsin massa ei ainakaan ole.

    Higgsin hajoamiskanavat massa funktiona. Hallitseva Higgsin hajoamiskavana bb hukkuu taustaan, mutta Higgs voidaan havaita mm. fotoni-fotoni, WW ja ZZ kanavissa.

    Higgsin mekanismi kytkeytyy vahvasti Z ja W bosonien mitattuihin ominaisuuksiin, joten jotain Higgsin mekanismin kaltaista luonnossa täytyy olla. Vaihtoehtoisia teorioita, jotka eivät vaadi Higgsin bosonia kuitenkin löytyy. Luonto on yllättänyt tutkijat ennenkin.

    Lehdistössä on usein käytetty Higgsin hiukkasesta nimeä God particle (jumalhiukanen), viitaten Leon Ledermanin samannimiseen kirjaan. Ihan näin korkeisiin sfääreihin Higgsin hiukkasta ei tarvitse korottaa, sillä löytyessäänkin se jättää jälkeensä joukon ratkaisemattomia kysymyksiä hiukkasfysiikassa.

    Tärkein avoimista kysymyksistä on yhtenäisteoria, joka yhdistäisi sähköheikon vuorovaikutuksen atomiytimen sisäosia kuvaavan kvanttiväridynamiikan kanssa ja liittäisi joukkoon Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian kuvauksen painovoimasta. Tähän Higgs ei tuo juurikaan uutta.

    Lehdistössä usein myös kerrotaan Higgsin mekanismin selittävän miksi hiukkasilla on massa. Tämä onkin totta Z ja W bosonien kanssa, mutta muiden hiukkasten kohdalla tilanne on hieman monitahoisempi.

    Meksikolainen hattu / samppanjapullopotentiaali. Potentiaalinenergian minimissä Higgsin kenttä eroaa nollasta, joten tämä kenttä täyttää avaruuden.

    Alkeishiukkaset, kuten elektronit ja protonien ja muiden hadronien rakenneosaset kvarkit, saavat massansa kytkeytymällä Higgsin kenttään, ollen sitä massiivisempia mitä tiukempi kytkös on. Teoria ei kuitenkaan kerro kytköksen voimakkuutta, joten malli on parhaimmillaankin vain kuvaileva, ei ennustava.

    Komposiittihiukkasten, kuten atomiytimien protonien, neutronien ja ytimien itsensä kohdalla tilanne on vielä monimutkaisempi. Higgsin kenttä kyllä selittää kvarkkien massan, mutta nämä muodostavat alle 1.5% atomien kokonaismassasta. Loppu syntyy kvanttiväridynamiikasta ytimen todellisten ja virtuaalisten hiukkasten liike- ja potentiaalienergiana Einsteinin yhtälön E=mc^2 mukaisesti.

    Löytyessään Higgsin bosoni lisää viimeisen puuttuvan palan huikean menestyksekkääseen standardimalliin. Mikäli sitä ei löydykään, kyseessä olisi vahva vihje jostain standardimallin ulkopuolisesta, jota monet hiukkasfyysikot toivovat LHC:n löytävän. Tärkein kysymys Higgsin bosonille onkin siis, ollako vai eikö olla.

    Oopperan kummitus

    By Mikko 24.9.2011 – 20:35 in Uutiset

    Uudet havainnot tulevat joskus yllättävistä suunnista. Hiukkastutkijoiden suurten odotusten kohdistuessa LHC-kiihdyttimeen, joka toistaiseksi ei vielä löytänyt sen enempää Higgsin bosonia, supersymmetriaa kuin muutakaan uutta fysiikkaa, vuoden toistaiseksi suurin uutispommi tipahti suhteellisen tuntemattomasta OPERA-kokeesta: kokeen mukaan suurienergiset neutriinot näyttäisivät kiitävän valoa nopeammin.

    Toistaiseksi tutkijat ovat vielä ymmällään tuloksesta, ja kyse voi hyvin (ehkä jopa todennäköisestikin) olla mittausvirheestä, vaikka OPERA-kokeen tutkijat ovatkin tarkistaneet menetelmänsä erittäin huolellisesti. Tässä vaiheessa he hyvän tieteellisen tavan mukaan kuitenkin toivat tuloksensa laajemman tiedeyhteisön tietoon, jotta muut tutkijat pääsevät kriittisesti tarkastelemaan tuloksia ja toistamaan mittausta muissa kokeissa.

    Mikäli tulos varmennetaan oikeaksi, se on erittäin merkittävä löytö. Ensimmäiset lehtiartikkelit ehtivät jo hehkuttamaan Einsteinin suhteellisuusteorian joutavan roskakoriin, mutta todennäköisesti kyse olisi jostain hienovaraisemmasta “porsaanreiästä” luonnonlaeissa. Suhteellisuusteoriaa (niin yleistä kuin erityistä) on kuitenkin testattu tarkoilla mittauksilla viimeiset satakunta vuotta, ja se on selvinnyt kirkkaasti kaikista testeistä.

    Kuva: OPERAn mittaus perustuu neutriinojen saapumisaikojen (mustat ympyrät) määrittämiseen suhteessa odotettuun jakaumaan (punainen viiva). Y-akseli kertoo neutriinojen lukumäärän kullakin aikavälillä, X-akseli aikavälin nanosekunneissa. Havaittu siirtymä suhteessa odotettuun oli 60 ns.

    Palataan kuitenkin kertaamaan hieman perusfaktoja OPERAn löydöstä.

    OPERA on Italian Gran Sasson maanalaisessa laboratiossa sijaitseva neutriinoilmaisin. Sen tehtävänä on havaita CERNin CNGS (Cern neutrinos to Gran Sasso) -kiihdyttimestä lähetettyjä muonin neutriinoja, ja tutkia niiden oskillaatiota taun neutriinoiksi. Tätä tapahtuu hyvin harvoin, mutta vuodesta 2006 toiminut OPERA havaitsi ensimmäisen taun neutriinon aiemmin viime vuonna.

    Neutriinojen lentonopeuden mittaus ei ollut alunperin yksi OPERA-kokeen päätavoitteista, mutta sitä on viimeisten kuuden kuukauden aikana huomattavasti tarkennettu. Ajan mittausta varten sekä CERNiin että Gran Sassoon on asennettu Cesium-atomikellot, jotka tarkentavat aiemman GPS-laitteston aikasignaalin tarkkuutta 100 nanosekunnista noin yhteen nanosekuntiin. Samalla erityisessä maanmittauskampanjassa tarkennettiin CNGS:än ja OPERAN noin 730 km etäisyyden mittauksen tarkkuutta 20 senttimetriin. Matkan ja ajan suhteelliset tarkkuudet ovat näin 3×10^-7 ja 4×10^-7, eli miljoonasosan kymmenyksiä. Kokeen mittaama lentonopeuden muutos on 2.5×10^-5, eli pari kertaluokkaa suurempi.

    Vaikka kyseiset luvut kuulostavat erittäin tarkoilta, kyseessä on kuitenkin melko rutiininomainen tarkkuus modernille metrologialle (ajanmittaukselle) ja geodesialle (maanmittaukselle). Suurin epätarkkuus etäisyyden mittaukseen aiheutuikin itseasiassa mittauksen viennistä maan alle hankalissa olosuhteissa: laboratorion ohi kulkee maan alla vilkas tie, ja toisen kaistan liikenne jouduttiin pysäyttämään viikoksi etäisyysmittausten suorittamiseksi kahdesta eri suunnasta. Maanpäälliset mittalaitteet itsessään yltävät hyvin senttimetrin tarkkuusluokkaan.

    OPERA ei itse asiassa mitannut niinkään neutriinojen lentonopeutta, kuin niiden saapumisaikojen ja odotettujen saapumisaikojen erotusta. Neutriinot syntyvät CERNin kiihdyttimestä irrotetuissa noin 10 mikrosekunnin mittaisissa “loiskeissa”, joten yksittäisten neutriinon lentoaikaa ei voida mitata, vaan saapumisaika pääteltiin tilastollisesti kolmen vuoden ajalta keskiarvoistetuista mittauksista. Mittauksen tarkkuuden kannalta olennaisimpia olivatkin juuri loiskeen alku- ja loppukohtien määritys noin 16000 neutriinon näytteestä.

    Loiskeiden muodon mittaus onkin ehkä OPERAn tuloksen haastavin osuus. OPERA-kokeen tutkijat suorittivat huolellisia varmennuksia käyttämänsä tilastollisten menetelmien ja mallien oikeellisuudelle, mutta mitattu 60 nanosekunnin siirtymä 10.000 nanosekunnin mittaisessa loiskeessa on silti varsin haastava 6 tuhannesosaa. Pienikin virhe loiskeen alun tai lopun muodon määrityksessä voisi ehkä aiheuttaa havaitun kokoisen siirtymän. Tutkijat kuitenkin asensivat CERNin kiihdyttimelle erillisen mittalaitteen loiskeen muodon määritykseen, joten tätäkään ei jätetty sattuman varaan.

    Toistaiseksi OPERAn käyttämissä menetelmissä ei ole havaittu virheitä, ja Nobel-voittaja Sam Ting onnittelikin kollaboraatiota perjantaisen seminaariesitelmän päätteeksi huolellisesta työstä. Tiedeyhteisön vakuuttaminen on kuitenkin vasta alussa, ja vaatii tulosten toistamista riippumattomissa kokeissa. Tulosten toistamisessa avainasemassa voi olla esimerkiksi Fermilabissa ja Minnesotassa sijaitseva Minos-koe, joka jo aiemmin esitti vastaavia mittaustuloksia, mutta huomattavasti suuremmilla virheillä.

    Ei pidä myöskään unohtaa, kuten OPERAn tutkijat paperissaan myös mainitsevat, että kosmisista lähteistä syntyneiden huomattavasti matalaenergisempien neutriinojen on aiemmin havaittu noudattavan valonnopeutta alle 1×10-9 poikkeamalla. Nopeusrajoitusten rikkominen vaatii siis neutriinoiltakin hyvin erityisiä olosuhteita.

    Mystiset, hyvin heikosti vuorovaikuttavat ja jo aiemminkin yllätyksiä tarjonneet neutriinot ovat nyt hyvinkin ansainneet paikkansa tieteen OPERAn kummituksena.

    OPERAn tulokset on julkaistu arXivissa . Lehdistötiedote OPERAn tuloksista löytyy täältä ja nauhoitetta tulosten julkistamista seuranneesta seminaariesitelmästä täältä (huom. nauhoite ei vielä saatavilla 24.9.) . Uutisia aiheesta löytyy YLEn ja Helsingin sanomien sivuilta, ja keskustelua mm. englanninkielisiltä blogeilta Resonaances, Quantum Diaries Survivor ja The Hammock Physicist. Prof. Paula Eerolan haastattelua CERNin uusista tuloksista voi seurata Radiaattorissa keskiviikkona 25.9.