University of Helsinki
Viime viikolla LHC-projektini keskeytyi hetkellisesti konferenssimatkan takia. Lensin viikoksi Lontooseen esittelemään jatko-opiskelijana tekemiäni tuloksia ja kuulemaan alan viimeisimpiä kuulumisia DIS2008-konferenssissa. Lyhenne DIS tulee sanoista Deep Inelastic Scattering, “syvä epäelastinen sironta”. Vuosittaisen konferenssin (tai oikeastaan “työpajan”) teemana on kuulla uusimmista protonin rakenteen mittauksista eri kiihdyttimillä kuten DESYn HERA, Fermilabin Tevatron ja Brookhavenin RHIC sekä keskustella edistysaskeleista teoriapuolella.
Itse DIS viittaa pääasiassa korkean energian elektroni-protoni törmäyksiin, joita mitataan HERAn (Hadron Electron Ring Accelerator) koeasemilla H1 ja ZEUS. HERA lopetti toimintansa viime vuoden heinäkuussa, mutta lopullisia tuloksia analysoidaan varmaan vielä pari vuotta. HERAn tärkeimpänä tehtävänä on ollut tehdä tarkkuusmittauksia protonin rakenteesta pommittamalla 920 GeV:n protoneita 27,5 GeV:n elektroneilla. Tässä tehtävässä se onkin ollut ylivoimainen, sillä pistemäisinä alkeishiukkasina elektronit viipaloivat protoneita kuin kirurgin veitsi. Samalla HERA on myös vahvistanut kvanttiväridynamiikan ennustukset vahvan vuorovaikutuksen “kytkentävakion” heikkenemisestä hiukkasten energian kasvaessa.
Protonin rakenteen tunteminen on äärimmäisen tärkeää myös LHC:n kokeille, sillä ilman tätä tietoa kokeiden tulosten tulkitseminen on hyvin vaikeaa tai jopa mahdotonta. Monet mittauksista perustuvat myös oletukselle, että perusvuorovaikutusten (vahva, sähköheikko- ja painovoima) luonne on vahvistettu aiemmissa mittauksissa. Mutta mikä oikeastaan tekee protonien törmäyksistä niin hankalasti tulkittavia?
Ainakin lukion fysiikankursseja käyneet lienevät kuulleet, että protoni rakentuu kvarkeista. Näitä on kahta eri tyyppiä: ylös-kvarkkeja (up, u), joilla on +2/3 alkeisvaraus ja alas-kvarkkeja (down, d), joilla on -1/3 alkeisvaraus. Vertailun vuoksi elektroneilla on -1 alkeisvaraus. Kussakin protonissa on kolme sidoskvarkkia, joista kaksi on ylös-kvarkkeja ja yksi alas-kvarkki, joten kokonaisvaraukseksi tulee +1.
Kvarkkeja ei ole koskaan havaittu yksittäin, vaan ainoastaan kahden tai kolmen kvarkin yhdistelminä (viiden kvarkin yhdistelmistä on julkaistu havaintoja, mutta näitä ei ole pystytty vahvistamaan). Kvarkkien vahvan vuorovaikutuksen varauksen eli värikvanttiluvun täytyy olla sellainen, että varausten summa on neutraali kvarkeista muodostuville hiukkasille aivan kuten varautunut protoni ja elektroni muodostavat sähköisesti neutraalin vetyatomin. Toisin kuin sähkövaraus, jolla on vain yksi merkki (plus tai miinus), vahvan vuorovaikutuksen varaus koostuu kolmesta eri “merkistä”.
Koska vahvan vuorovaikutuksen varaus voi neutraloitua joko yhdistämällä vastakkaiset varaukset tai kolme erimerkkistä varausta, vahvan vuorovaikutuksen kvanttiluvuille on vedetty analogia kuvataiteen väriteoriaan. Jokaisella kvarkeista on yksi vahvan vuorovaikutuksen varauksista, joita analogian mukaan kutsutaan väreiksi. Kvarkkien yhdistelmien tulee aina olla valkeita tai värittömiä. Perinteisesti kvanttiväreiksi valitaan perusvärit punainen, sininen ja vihreä, joita yhdistämällä protonistakin tulee valkea (tämän voi testata vaikkapa kolmella erivärisellä led-lampulla tai katsomalla suurennuslasilla vanhan kuvaputkitelevision valkeaa pistettä). Kahden kvarkin yhdistelmistä taas voidaan tehdä värittömiä yhdistämällä väri ja sen vastaväri. Helppoa vielä tähän asti?
Monimutkaiseksi protonin rakenteen tekee se, että kvarkit vuorovaikuttavan keskenään vahvan vuorovaikutuksen kautta lähettämällä toisilleen “liimahiukkasia” eli gluoneita. Toisin kuin sähkömagneettisen vuorovaikutuksen välittäjähiukkaset fotonit (joista myös näkyvä valo koostuu), gluonit voivat vuorovaikuttaa keskenään tai vaikka itsensä kanssa ja tuottaa lisää gluoneita ja kvarkki-antikvarkkipareja. Gluonien vuorovaikutusten todennäköisyys on verrannollinen jo mainittuun vahvaan kytkentävakioon, joka matalilla energioilla lähestyy yhtä. Jokainen gluoni tuottaa lisää gluoneita, jotka tuottavat lisää gluoneita ja hiukkasten määrä lisääntyy kuin Helsingin pupukanta, kunnes tila loppuu. Näin ollen protoni on tulvillaan matalaenergisiä gluoneita ja tyhjiöstä pullahtelevia kvarkki-antikvarkkipareja.
Kuva: Protonin rakenne. Valenssikvarkkeja (yksinäiset pallot) yhteen sitovat gluonit (mustat vieterit) tuottavat protoniin myös lyhytikäisiä kvarkki-antikvarkkipareja (palloparit).
Ylös- ja alaskvarkkien sekä runsaslukuisten gluonien lisäksi protonissa on myös runsaasti outo-kvarkkeja (strange, s) sekä näiden antihiukkasia. Yhteisesti muita hiukkasia kuin sidoskvarkkeja kutsutaan protonin “mereksi”. Kuvaavaa on, että noin 99.5% protonin massasta on sitoutunut vahvan vuorovaikutuksen potentiaalienergiaan ja vain noin 0.5% on sidoskvarkkien massaa, jota selittämään Higgsin bosoni tarvitaan. Protonin rakenne on hyvin dynaaminen ja kvanttiteorian Heisenbergin epätarkkuusperiaatteen hiukkasten paikkaa ja liiketilaa ei voida yhtäaikaisesti mitata. Myös hiukkasten lukumäärä millä tahansa ajanhetkellä on tuntematon. Mittaukset perustuvatkin hiukkasten keskimääräisen liiketilan tuntemiseen.
Protonien törmäyttämistä LHC:llä voisi verrata siihen, että tärmäytetään keskenään kaksi rekkaa ja yritetään päätellä ympäriinsä lentävistä pulteista ja muttereista, miltä rekka näyttää. Jos satut saamaan maahantuojalta tarkan listan eri mallien osista, voit ehkä yrittää päätellä minkä merkkiset rekat törmäsivät keskenään. Osalistan virkaa protonille toimittavat partonijakaumafunktiot (partoni=kvarkki tai gluoni), jotka kertovat kuinka monta hiukkasta milläkin murto-osalla protonin kokonaisenergiasta keskimäärin odotetaan nähtävän. Hyvällä tuurilla osasten joukosta voi löytyä myös jotain listalle aiemmin kuulumatonta, kuten vaikkapa vaikka kauan etsitty Higgsin bosoni.
Oma väitöstyönikin on antanut oman osansa protonin rakenteen tarkempaan rajoittamiseen. Suurimman vastuun protonin rakenteen rajoittamisesta kantanut HERA pystyy mittaamaan protonin sisältämien gluonin partonijakaumafunktion vain välillisesti, sillä gluoneilla ei ole sähkövarausta eivätkä elektronit vuorovaikuta vahvan vuorovaikutuksen kautta. Siksi harvinaisimpien korkeaenergisten gluonien määrässä on ollut suuri epävarmuus. Merkittävä osa LHC:n törmäyttämistä alkeishiukkasista on kuitenkin nimenomaan gluoneja, joten tiedolla on paljon käyttöä tulevissa mittauksissa. Onneksi gluonijakaumia pystytään mittaamaan myös Tevatronilla tutkimalla korkeaenergisten hiukkasryöppyjen tuotantoa protoni-antiprotoni-törmäyksissä, kuten väitöstyössäni tehtiin. Mainion kuvauksen tästä antaa englantia taitaville juttu Tommaso Dorigon blogissa “A Quantum Diaries Survivor”.
Viikon saldoksi Lontoosta jäi mielikuva, että protonin rakenteen mittaus on hyvällä mallilla HERAn ja Tevatronin uusimpien mittausten ansiosta. Nämä oli jo sisällytetty uusimpiin jakaumafunktioihin ja myös teoriapuolella oli tapahtunut merkittävää edistystä funktioiden parametroinnissa, virhearvioiden käsittelyssä ja raskaampien kvarkkien massojen lisäämisessä malleihin. Toki mieleen jäi myös konferenssin oheisohjelma: kävelykierroksella nähtävyydet Big Ben, Buckingham Palace ja Trafalgar square, vierailu maailmankuulussa British Museumissa sekä illallinen perinteikkäällä Lord’sin krikettikentällä ja brittihuumorilla höystetty illallispuhe englantilaisten kansallisperinteestä, “pallojen sirottelusta”.
Nyt työ jatkuu taas CERNissä valmistautumalla uuteen pallojen sirotteluun lokakuussa!