Category: 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.

 

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.

 

 

 

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.

 

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.

 

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

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.

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.