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.
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.
University of Helsinki
