Edinburghin yliopisto tarjoaa kaikille avoimen verkkokurssin Higgsin bosonin perusteista ja sen löytymisestä vuonna 2012. Tälle kurssille voi osallistua myös ilman sen kummempia perustietoja fysiikasta!
Kurssilla tutustutaan Higgsin bosonin teoreettiseen taustaan sekä
muihin alkeishiukkasiin, klassiseen mekaniikkaan, suhteellisuusteoriaan ja kvanttimekaniikkaan.
Valtaosa kurssista on ymmärrettävissä lukiotason matematiikan
avulla. Joissain videoluennoissa esiintyy yliopistotason matemaattisia käsitteitä, mutta kurssin pystyy silti suorittamaan vaikka nämä asiat eivät olisi entuudestaan tuttuja.
Higgsin metsästäjien saalis on nyt kasassa, sillä professorit Francois Englert ja Peter Higgs palkittiin tänään Nobelin palkinnolla Higgsin mekanismin ja hiukkasen ennustamisesta! Tärkeänä osana Nobel-komitean päätöstä oli CMS- ja ATLAS -kollaboraatioiden CERNin Large Hadron Collider -kiihdyttimellä 4. heinäkuuta 2012 löytämä uusi hiukkanen.
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.
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.
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.
“Huippu on saavutettu, mutta matka on vasta alussa,” sanaili CMS-kokeen puheenjohtaja Guido Tonelli esiteltyään häkellyttävän määrän laadukkaita tuloksia CMS-kokeen ensimmäisestä 7 TeV:n datasta hiukkasfysiikan suurimmassa kansainvälisessä ICHEP-konferenssissa Pariisissa. Puheen huipentumana esiteltiin ensimmäiset havainnot raskaimmasta huippu- eli top-kvarkista Euroopan kamaralla, jotka saatiin haaviin vasta muutama päivä ennen konferenssin alkua.
CMS-kokeen tutkijat esittelivät tällä viikolla Pariisissa lukuisia uusia tuloksia CERNin Suuren hadronitörmäyttimen (Large Hadron Collider, LHC) 3.5 teraelektronivoltin (TeV) protonisuihkujen törmäyksistä. LHC:n ensimmäiset 7 TeV:n törmäykset tapahtuivat vasta neljä kuukautta sitten, 30. maaliskuuta. Nämä törmäykset tuottivat välittömästi monia hiukkasfyysikkojen vanhoja tuttavia kuten neutraaleja pioneja, jotka havaittiin ensimmäisen kerran 1950.
Maaliskuun lopun jälkeen LHC:n hiukkassuihkujen intensiteettiä on nostettu jo yli tuhatkertaiseksi, ja törmäystapahtumia on tuotettu miljardeja. Täten myös harvinaisia hiukkasia, kuten heikon vuorovaikutuksen välittäjähiukkasia W- ja Z-bosoneita, jotka löydettiin CERNissä 1984, on saatu tuotettua jo merkittävissä määrin. W- ja Z-bosonit hajoavat nopeasti elektroneihin, myoneihin ja kvarkkien kautta hiukkasryöppyihin eli jetteihin, jotka voidaan havaita CMS-ilmaisimella, ja näin rekonstruoida alkuperäisten W- ja Z-bosonien läsnäolo.
Raskaita hadroneita eli harvinaisempia outo- (strange, s), lumo- (charm, c) ja pohja-kvarkkeja (bottom, b) sisältäviä hiukkasia on myös mitattu CMS-ilmaisemella, ja kuluneen viikon aikana saatiin myös vakuuttavia todisteita raskaimman huippu-kvarkin (top, t) tuotosta. Top-kvarkit ovat yli tuhat kertaa raskaampia kuin neutraalit pionit, ja aiemmit niitä on voitu tuottaa ainoastaan Yhdysvalloissa Fermilabin Tevatron-törmäyttimellä, joka sijaitsee lähellä Chicagoa.
Top-kvarkin löytyminen 1995 lisäsi yhden puuttuvan palan hiukkasysiikan standardimalliin, joka on matemaattinen kuvaus alkeishiukkasista ja niiden välisistä vuorovaikutuksista. Näiden harvinaisten hiukkasten löytäminen ja tutkiminen on mahdollista ainoastaan hyvin kalibroiduilla mittalaitteilla ja huippuunsa viritetyillä analyysityökaluilla, jotka hyödyntävät lähes kaikkia näiden mittalaitteiden suunniteltuja ominaisuuksia. CMS-kokeen tutkijat esittelivät ICHEP-konferenssissa noin kolmekymmentä tärkeää standardimallin analyysiä LHC:n ennätysenergialla.
“Jo näiden muutaman kuukauden aikana, jolloin LHC on tuottanut 7 TeV:n törmäyksiä, kokeemme tutkimusryhmät ovat käyttäneet ilmaisinta ja valikoineet parhaita törmäyksiä hyvällä hyötysuhteella. Data on jaettu analyysiryhmillemme maailmanlaajuisesti – tyypillisesti alle päivän viiveellä – ja raakadatasta on saatu luotettavia mittauksia hämmästyttävällä nopeudella. Olen ylpeä saadessani olla johtajana CMS-kokeessa, joka tuottaa tämän kaltaisia tuloksia”, sanoo Guido Tonelli, kommentoiden viime kuukausien erinomaista edistystä, joka huipentui ensimmäisten top-kvarkkien havaitsemiseen viime viikkojen aikana.
CMS-koe on julkistanut tuloksia myös muutamista varhaisista uuden fysiikan etsinnöistä. Vaikkei mitään uutta olekaan vielä havaittu, osa näistä etsinnöistä on jo alkanut edetä aivan uudelle alueelle, jota ei ole koskaan aikaisemmin tutkittu.
“Tähänastinen edistys on ylittänyt odotukset, mutta tulevaisuudessa on luvassa lisää haasteita, kun hiukkassuihkujen intensiteetti yhä kasvaa ja alamme etsiä lisää harvinaisia hiukkasreaktioita. Tämä on vasta alkua”, Tonelli toteaa.
Alkuvuoteen 2011 mennessä kerätyn datan määrän odotetaan kasvavan satakertaiseksi. Tässä vaiheessa CMS-koe alkaa todella tutkia tärkeitä kysymyksiä maailmankaikkeuden rakenteesta sen pienimmillä mittaskaaloilla ja suurimmilla energioilla.
Kuvia ja animaatioita muutamista CMS-kokeen ensimmäisistä törmäyksistä on saatavilla CMS-kokeen julkisilta sivuilta osoitteesta http://cms.cern.ch.
CMS-koe on toinen kahdesta LHC-kiihdyttimen yleiskäyttöisestä ilmaisimesta, jotka on rakennettu uuden fysiikan etsintään. CMS on suunniteltu havaitsemaan laaja spektri hiukkasia ja ilmiöitä LHC:n suurenergisissä protoni-protonitörmäyksissä ja vastaamaan kysymyksiin kuten: “Mistä maailmankaikkeus on todella tehty ja mitkä vuorovaikutukset siinä vaikuttavat?” ja “Mikä antaa kaikelle olomuodon?”. Se mittaa myös hyvin tunnettujen hiukkasten ominaisuuksia ennennäkemättömällä tarkkuudella ja etsii täysin uusia, odottamattomia ilmiöitä. Tällainen perustutkimus lisää ymmärrystämme maailmankaikkeuden perusrakenteista, ja voi myös laukaista oheistuotteena uusia tekniikoita, jotka muuttavat ympäröivää maailmaa, kuten on käynyt monesti ennenkin.
Tämänhetkisen LHC-kiihdyttimen fysiikka-ajon odotetaan kestävän kahdeksantoista kuukautta. Tänä aikana LHC:n kokeiden pitäisi saada kerättyä riittävästi dataa, jotta kokeet pääsevät laajentamaan tutkimusta uusille alueille kaikkialla missä uutta fysiikkaa voidaan odottaa löytyvän.
CMS-kokeen alkuperäinen arkkitehtuuri juontaa vuoteen 1992. Tämän jättimäisen ilmaisimen (15 metriä halkaisijaltaan, lähes 29 metriä pitkä ja painoltaan 14.000 tonnia) rakentaminen vei lähes 16 vuotta yhdeltä kaikkien aikojen suurimmista kansainvälisistä tieteellisistä kollaboraatioista: yli 3100 tutkijaa ja insinööriä 169:stä yliopistosta ja tutkimuslaboratoriosta, jotka jakaantuvat 39:n maahan ympäri maailmaa.
Protoni-protonitörmäys, joka on todennäköisesti tuottanut top-kvarkkiparin, jossa molemmat top-kvarkit ovat hajonneet W-bosoniin ja b-kvarkkiin, ja molemmat W-bosonit edelleen myoniin ja neutriinoon. Näin on syntynyt kaksi myonia (punaiset jäljet), kaksi b-kvarkin sisältäväksi tunnistettua hiukkasryöppyä eli jettiä sekä puuttuvaa liikemäärää (havaitsematta jääneistä neutriinoista).
lähde: CMS-kokeen lehdistötiedote ICHEP 2010 -konferenssista Pariisissa (kääntäjät: Mikko Voutilainen, prof. Paula Eerola); saatavilla myös http://cms.web.cern.ch/cms/News/2010/ICHEPresults_CMSstatement.html
Tiistai 30.3.2010 jää historiaan päivänä, jolloin ihmiskunta aloitti aineen perusominaisuuksien tutkimisen aikaisemmin kartoittamattomalla energia-alueella. LHC-kiihdytin tuotti ensimmäiset 7 TeV:n protoni-protonitörmäytykset, ja myös käynnisti saman tien niiden rutiininomaisen tuottamisen. Blogissa raportoimme nyt tunnelmista LHC:n Point 5:lta, CERNin rakennuksesta 40 (“fyysikkorakennus”, jossa on selkeä CMS- ja Atlas-rajalinja), sekä Helsingin Kumpulasta.
CERNissä LHC:n 7 TeV:n ajon starttia seurattiin useassa eri kohteessa: koeasemilla, kiihdyttimen ohjaamossa, Atlas- ja CMS-fyysikkojen suosiman rakennuksen 40 aulassa sekä pitkin päivää vilkaisuina omilla työasemilla pyörivään LHC:n webcast-lähetykseen.
Heti aamusta lähtien tunnelma CMS:n kontrollihuoneessa Point 5:lla oli innostuneen odottava ja huone kuhisi kiireisestä valmistelusta sekä itse mediatapahtumaa että törmäyksiä varten. Kaikki kynnelle kykenevät asiantuntijat olivat paikalla ilmaisimen operaattorien lisäksi ja välillä tuntuikin, ettei sen paremmin tuoleja kuin tilaakaan meinannut riittää kaikille halukkaille. Onneksi sopu sijaa antaa.
Hienoista pettymystä oli ilmassa, kun ensimmäinen yritys nostaa hiukkassuihkun energiaa 3.5 TeV:iin aamulla epäonnistui. Toisaalta, koska kyse oli sähköisestä häiriöstä pikaisen selvityksen perusteella, tunnelma ei latistunut liikaa ja valmistelut seuraavaa yritystä varten tehtiin suurella innolla. Lopulta lounasaikaan molemmat hiukkassuihkut oli saatu nostettua 3.5 TeV:in energiaan ja lähestulkoon yllätyksenä CMS näki ensimmäiset törmäykset klo. 13. Yllätyksenä siksi, että vaikka ilmaisimen valmistelussa törmäyksiä varten oltiin otettu pieni varaslähtö ja kaikki ilmaisimen osat olivat tiedonkeruumoodissa jo kello 13 (Suomen aikaa klo 14), törmäykset alkoivat n. 20 minuuttia ennen kuin niiden kuviteltiin alkavan LHC:n alunperin antamien tietojen pohjalta! Tämä tietysti sai aikaan valtaisat aplodit kontrollihuoneessa ja videolinkin välityksellä ympäri maailmaa kaikkialla, missä CMS-fyysikot seurasivat päivän tapahtumia.
Kuva 1: Panja Luukka CMS-ilmaisimen valvomossa onnistuneiden ensimmäisten hiukkastörmäysten jälkeen.
Kuva 2: Shamppanjaa törmäysten kunniaksi P5:lla.
CERNin rakennuksessa 40 hiukkassuihkujen energian lähestyessä klo 13 maissa paikallista aikaa 3.5 TeV:n energiaa väkeä alkoi kertyä sankoin joukoin seuraamaan törmäysten alkua kahdelle puolelle aulaa sijoitetuilta ruuduilta. Atlas-puoli vei tällä kertaa pisteet sujuvammin pyörivästä videolähetyksestä ja kovemmalle säädetystä äänestä, kun taas CMS-puoli veti mojovat aplodit ensimmäisen törmäyskuvan lävähdettyä kokoruudun kokoisena esiin vain minuutteja sen jälkeen, kun hiukkassuihkut alkoivat törmätä.
Kuva 3:Fyysikkoja seuraamassa LHC:n 7 TeV ajon käynnistymistä CERNin rakennuksen B40 aulassa CMS-puolella.
Tapahtumaa seurattiin myös Helsingin CMS Centerissä Kumpulan Physicum-rakennuksessa, jossa pidettiin kaikille avoin mediatapahtuma. Eri puolille maailmaa oli rakennettu 35 CMS Centeriä, joihin toimitettiin CERNin korkean resoluution webcast-kuvaa, ja joissa seurattiin CERNin ja erityisesti CMS-ilmaisimen tapahtumia. Paikalla oli noin viitisenkymmentä henkilöä, joukossa myös Ylen, MTV3:n ja Nelosen kuvausryhmät. Tunnelma muuttui hetkessä jännittyneestä helpottuneeksi, kun valkokankaalle ilmestyneelle törmäyskuvalle päästiin vihdoin aplodeeraamaan.
Kuva 4: Helsingissä seurattiin tapahtumia viideltä näytöltä, vasemmalla meneillään CERNin pääjohtajan Rolf Heuerin haastatteluKuva 5: Aplodeerausta Helsingissä ensimmäisten törmäyskuvien ilmestyttyä seinälle
Mutta entäpä ensimmäisten törmäysten jälkeen? Lisää törmäyksiä, ja paljon! LHC ei tuottanut 30.10.2010 ainoastaan muutamaa hienoa törmäytystä, vaan aloitti saman tien niiden tuottamisen rutiininomaisella tavalla. Törmäytyksiä alkoi jo alusta alkaen syntyä noin 50 hertzin taajuudella (kullakin koeasemalla), ja seuraavien kolmen tunnin kuluessa saatiin nauhoitettua yli puoli miljoona törmäytystä. Uuden energia-alueen systemaattinen kartoittaminen lähti toden teolla käyntiin!
Tiistai 21.10. ei ollut CERNissä tavallinen tiistai — Ranskan ja
Sveitsin raja CERNin lähellä oli suljettu kuten myös CERNiä
ympäröivät tiet, poliisimoottoripyörien johtamat mustien autojen saattueet
singahtelivat ympäriinsä, ja kaikissa seudun liikenneympyröissä
(ja niitähän Ranskassa riittää!) oli poliisi ohjaamassa liikennettä. Oli LHC-kiihdyttimen virallinen avajaispäivä, ja paikalla oli 1500 korkea-arvoisaa vierasta, mm. Sveitsin liittopresidentti Pascal Couchepin sekä Ranskan pääministeri François Fillon. Suomen valtuuskuntaa johti ulkoasiain alivaltiosihteeri Esko Hamilo.
Aamupäivällä delegaatiot kiertelivät tutustumassa LHC-kiihdyttimeen ja
koeasemiin, jotka oli tapahtumaa varten kytketty pois päältä. Suomen ja Ranskan delegaatiot kävivät tutustumassa mm. CMS-koeluolaan sekä sen kohdalla kulkevaan osaan LHC-tunnelia.
Iltapäivällä ohjelma jatkui virallisella vihkiäisseremonialla, joka lähetettiin webcast-lähetyksenä. Tilaisuudessa kerrattiin LHC-projektin historia, ja kuultiin monia rohkaisevia puheita. François Fillonin puheen tiivistelmänä voi pitää seuraavaa lausetta, jonka hän myös kirjoitti CERNin vieraskirjaan:
“Le CERN et singulièrement le LHC constitue la plus grande expérience scientifique ce siècle et symbolise l’existence d’une civilisation humaine“.
Puheista omakohtaisimman piti CERNin tutkijanakin aiemmin toiminut Portugalin tiede- ja opetusministeri, professori Jose Mariano Gago. Seremonian loppupuolella kukin jäsenvaltioiden edustaja allekirjoitti muistolaatan, minkä jälkeen delegaatit nauttivat syntyperäisen parmalaisen kokin Ettore Bocchian laatiman molekyyligastronomisen juhlaillallisen, joka oli valmistettu mm. nestetypen avulla.
VIP-vieraiden lähdettyä alkoi LHC-magneettien kokoonpanohalliin rakennetussa Nobel-näyttelytilassa LHCFest, henkilökunnalle tarkoitettu 3.000 hengen juhla. Illan itseoikeutettu esiintyjä oli LHC eli Les Horribles Cernettes, maailman ensimmäinen musiikkia www:ssä julkaissut bändi, joka päätti huikaisevan esityksensä tuttuun Collider-kappaleeseen, jonka sanat ovat jo vuodesta 1994 kertoneet oman näkemyksensä siitä, millaisella innolla LHC-kiihdytintä on rakennettu.
CERNin lukuisista muista bändeistä esiintyivät myös Canettes Blues Band ja CERN Jazz Club Reunion. Illan — ja LHC:n miltei 25 vuotta kestäneen suunnittelu- ja rakennusvaiheen — kruunasi vielä live-esitys YouTube-maailmanmaineeseen nousseesta rap-hitistä “Large Hadron Rap“, esittäjänä Alpine Kat itsensä LHC-projektin johtajan Lyn Evansin tukemana.
Lisäys pe 12.9: Upeita kuvia Atlas- ja CMS-koeasemien kuvasivuilla!
Keskiviikko 10.9. oli valtaisa menestys. Alkuperäinen tavoite, protonien kierrättäminen myötäpäivään, saavutettiin reilun tunnin työskentelyn jälkeen. Iltapäivällä saatiin protoneita kierrätettyä toisen suihkuputken avulla myös vastapäivään.
Harjoittelu LHC-kiihdyttimen avulla jatkui vielä tämänkin jälkeen. Päivän saldoksi tuli 300 täyttä kierrosta kiihdyttimen ympäri, eli alkuperäinen tavoite saavutettiin 30 000%:sti! Yöllä harjoittelua jatkettiin vielä siten, että koeasemien vieressä olevia kollimaattoreita suljettiin, jolloin koeasemilla voitiin havaita niistä syntyviä hiukkassuihkuja.
Seuraavina tavoitteina LHC:lla on kierrättää samoja protoneita muutamien tuhansien, mahdollisesti satojen tuhansien kierrosten ajan. Koska suihku kulkee 11 000 kierrosta sekunnissa, tämä kestäisi vain muutamien sekuntien ajan. Sen saavuttaminen vaatii protonien synkronoimista kiihdyttimen RF-järjestelmän kanssa. Tämän jälkeen päästäänkin itse asiaan: voidaan mahdollisesti tehdä törmäyksiä 450 GeV:in energioilla (mahdollisesti jo lokakuussa), aloittaa protonien energian nostaminen SPS-kiihdyttimen 450 GeVistä 700 GeViin, ehkä 800 GeViin tai jopa 1 TeViin. Näköpiirissä on myös haasteita, kuten kiihdyttimen suprajohtavien magneettien ominaisuuksiin kuuluva snapback-efekti, joka aiheuttaa jo Tevatron-törmäyttimessä havaittua magneettikentän vaihtelua (tästä aiheesta teknisiä dokumentteja: 1 ja 2). Tämän jälkeen päästäänkin kurkistamaan alueelle, jonne ei koskaan aiemmin ole nähty: huikeille 5 TeV:in törmäysenergioille.
Eilisistäkin hiukkasista on jo upeita kuvia. Alla esimerkiksi CMS-koeasemalla havaittuja sekundaarihiukkasten ratoja. Tällaisista kuvista näemme pian sen, mitä LHC-kiihdytin maailmasta paljastaa!
CMS-koeasema ja sen havaitsemat hiukkaset, jotka ovat syntyneet myötäpäivään kulkevan suihkun osuessa kollimaattoriin.
University of Helsinki
Kuva 1: Panja Luukka CMS-ilmaisimen valvomossa onnistuneiden ensimmäisten hiukkastörmäysten jälkeen. 
Kuva 2: Shamppanjaa törmäysten kunniaksi P5:lla.
