Valmistautumista hiukkasfysiikan suureen seikkailuun
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.
Klikkaa kuvaa nähdäksesi, kuinka data kertyi.
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%.
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.
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.
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.
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.
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 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.
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.
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.
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.”
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 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.
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.
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.
LHC-kiihdyttimen uudelleenkäynnistäminen siirtyy ensi vuoden puolelle, joten ensimmäisiä törmäyksiä saadaan odottaa vielä jonkin aikaa.
LHC-kiihdyttimen sektorin 3-4 suureen heliumvuotoon liittyvät tutkimukset viittaavat siihen, että syynä oli kahden magneetin välisen sähköliitoksen pettäminen. Vaurioiden kartoittamiseksi kyseinen sektori täytyy lämmittää huoneenlämpötilaan ja vaurioituneet magneetit avata tutkimuksia varten. Tähän kuluu kolmesta neljään viikkoa.
Kuva: LHC dipolimagneetti. Mahdollinen syy heliumvuodolle oli kahden dipolimagneetin välisen sähköliitoksen läpilyönti, joka poltti reiän heliumputkeen ja päästi kaasua vuotamaan tyhjiöeristykseen. Lisääntynyt lämpökuorma kiehautti heliumin, joka vuoti LHC-tunneliin. [(C) CERN]
“Heti erittäin menestyksekkään LHC-kiihdyttimen käynnistämisen jälkeen tämä on epäilemättä psykologinen isku”, sanoi CERNin pääjohtaja Robert Aymar. “Siitä huolimatta, LHC:n menestys ensimmäisten hiukkassuihkujen käsittelyssä on todistus vuosikausien erittäin perusteellisista valmisteluista sekä CERNin kiihdytinkompleksin rakentaneiden ja sitä operoivien ryhmien taidoista. En epäile yhtään, etteikö tätäkin ongelmaa selvitettäisi samalla huolellisuudella ja antaumuksella.”
Tutkimusten ja huoltotöiden vaatima aika estää LHC-kiihdyttimen uudelleenkäynnistyksen ennen CERNin pakollista talvihuoltoseisokkia, joten kiihdytinkompleksin uudelleenkäynnistys siirtyy alkukevääseen 2009. LHC-kiihdyttimen hiukkassuihkut seuraavat sitten perästä.
Hiukkaskiihdyttimet kuten LHC ovat ainutkertaisia laitteita, jotka on rakennettu viimeisimmällä teknologialla. Kukin on oma prototyyppinsä ja hankaluudet käynnistysvaiheessa ovat aina mahdollisia.
“LHC on hyvin monimutkainen ja mittakaavaltaan valtava instrumentti, joka puskee teknologian rajoja monella alueella,” sanoo Peter Limon, joka vastasi maailman ensimmäisen suuren mittakaavan suprajohtavan kiihdyttimen, Yhdysvaltalaisen Fermilabin Tevatron-kiihdyttimen, käyttöönotosta. “Silloin tällöin sattuu toiminnan keskeyttäviä pidempiä ja lyhempiä välikohtauksia, erityisesti alkuvaiheessa.”
CERN on saanut vastaavia kannustavia lausuntoja useilta laboratorioilta, mukaan lukien Saksan DESY, jossa 1992–2007 toimi suprajohtava kiihdytin HERA.
“Me olemme DESY:ssä seuranneet LHC:n käyttöönottoa hyvin innostuneina ja olemme erittäin vaikuttuneita ensimmäisen päivän menestyksestä,” sanoo Albrecht Wagner, DESY:n johtaja. “Luotan, että kollegamme CERNissä selvittävät ongelman nopeasti ja jatkamme heidän tukemistaan niin paljon kuin pystymme.”
LHC-kiihdyttimen odotetut ensimmäiset törmäytykset ovat toistaiseksi siirtyneet ainakin parilla kuukaudella sektorilla 3-4 tapahtuneen laiterikon takia.
Kiihdyttimen ylösajon yhteydessä perjantaina 19.9. puoliltapäivin LHC tunneliin vuoti suuri määrä heliumia sektorilla 3-4. Kiihdyttimessä ei ollut hiukkassuihkua, vaan dipolimagneeteissa kulkevaa virtaa oltiin nostamassa 5 TeV:n energiaa vastaavalle tasolle niiden testaamiseksi. Alustavien tutkimusten mukaan todennäköinen syy vuodolle oli kahden magneetin välinen viallinen sähköliitos, joka suli suuren virran takia ja johti laitteiston mekaaniseen pettämiseen. Tunnelissa ei CERNin tiukkojen turvamääräysten takia ollut vahingon sattuessa ketään, joten ihmiset eivät missään vaiheessa olleet vaarassa.
Kuva: LHC:llä pettänyt komponentti on ilmeisesti yksi tuhansista dipolimagneettien välisistä sähköliitoksista, joita tässä hitsataan kiinni. [(c) CERN]
Ongelman täydellinen tutkinta on vielä kesken, mutta jo tässä vaiheessa on selvää, että sektori joudutaan lämmittämään korjausten suorittamiseksi. Tämän seurauksena LHC-kiihdyttimen aikataulu viivästyy vähintään kaksi kuukautta. Vastaavat sähköliitosten viat eivät ole harvinaisia tavallisille sähkömagneeteille, mutta normaalilämpötilassa korjaukset pystyttäisiin suorittamaan muutamassa päivässä.
Heliumvuoto ei ole ensimmäinen lastentauti LHC:llä sitten ällistyttävän nopeasti onnistuneen käynnistyksen keskiviikkona 10.9., mutta toistaiseksi vakavin. Aiemmin LHC:lle tuotti ongelmia heti hyvän alun jälkeen hajonnut muuntaja, joka piti kiihdyttimen suljettuna vajaan viikon. Tästä kuitenkin selvittiin suhteellisen nopeasti, kun tilalle saatiin asennettua CMS-kokeelta varamuuntaja.
LHC-kiihdyttimen nopea alkupyräys herätti toiveita, että törmäyksiin voitaisiin edetä jopa muutamissa viikoissa. Kuten Science-lehti asiaa kuvasi: “10. syyskuuta CERNin fyysikot saavuttivat leuat loksauttavan menestyksen, kun he saivat LHC-kiihdyttimen toimimaan samassa ajassa, joka tavalliselta taavolta menisi saada tietokone ulos laatikosta ja käyntiin.”
Viimeisin vastoinkäyminen on tutkijoiden kannalta harmillinen, muttei aivan odottamaton tämän kokoluokan projektissa. Kun myöskin suprajohtavaa teknologiaa käyttävä Fermilabin Tevatron-kiihdytin aloitti 80-luvulla, vastaavia ongelmia oli vastassa yhtenään. Nyt ollaankin palaamassa takaisin realistisempiin odotuksiin, eikä törmäyksiä välttämättä nähdä vielä tämän vuoden puolella.
LHC-kiihdyttimen tämänpäiväinen käynnistys on ollut suuri mediatapahtuma CERNissä. Toimittajat ovat kierrelleet alueella jo päiviä valmistautumassa uutisoimaan tapahtumista tuoreeltaan ja TV-kameroita on vilahdellut siellä täällä. LHC:n ohjaamoon mahtuvien ihmisten määrä on rajoitettu, joten paikalle oli asennettu useita TV-kameroita ja vain avainhenkilöt ja kiihdyttimen valvojat päästettiin aamulla paikalle.
CERNin väki kokoontui aamulla klo 9 alkaen useisiin saleihin ympäri aluetta seuraamaan LHC:n käynnistystä. Itse olin päärakennuksen salissa, joka oli aivan tupaten täynnä väkeä. LHC:n käynnistys alkoi varovasti pisteestä 2 edeten sektori kerrallaan. Aivan kylmiltään LHC:n ohjaamon väki ei tehtävään lähtenyt, vaan suihkun kierrättämistä oli harjoiteltu jo puoli kierrosta myötä- ja vastapäivään, ja puolimatkan CMS-kokeessa nähtiin edellisenä iltana jo ensimmäiset suihkun poistamisesta syntyneet myonit.
Kunkin sektorin jälkeen hiukkassuihku pysäytettiin ja sen kohdistus tarkastettiin. Eteneminen sektorista 2 sektoriin 5 saakka oli nopeaa ja tapahtui noin 20 minuutissa. Sektorista 5 eteenpäin päästiin neitseelliselle alueella ja hiukkassuihkun laatua jouduttiin korjaamaan muutamia kertoja. Tästä huolimatta eteneminen oli odottamattoman nopeaa ja suihku ohitti Atlas kokeen ensimmäistä kertaa pisteessä 1 jo alle tunnissa. Matkalla ehdittiin testata niin kutsutun “beam dumpin” (piste, jossa huonolaatuinen suihku voidaan poistaa) toimintaa sekä ajastaa ilmaisimia yhteen hiukkassuihkun kanssa.
Kuva 1 (klo 9:50): Ensimmäiset osumat CMS-kokeella! Hiukkassuihku pysäytettiin kollimaattoreihin juuri ennen pistettä 5, ja ilmaisin havaitsi tästä syntyneitä jäännöshiukkasia. [CMS e-commentary]
Viimeinen etappi alkoi hieman ennen klo 10:30, vain vähän reilu tuntia sen jälkeen kun ensimmäinen suihku oli saatu kiihdyttimeen klo 9:15. LHC-kiihdyttimen johtajan Lyn Evansin opastuksella kaikki seurasivat suihkun paikkaa seuraavaa ilmaisinta, jossa täyden kierroksen tehnyt suihku näkyisi kahtena pisteenä (yksi piste kummaltakin ohituskerralta). Tarkalleen Evansin laskettua 3, 2, 1… hiukkassuihku 1 saatiin kiertämään ensimmäisen kerran ja salissa puhkesivat raikuvat aplodit!
Kuva 2 (klo 10:25): Hiukkassuihku on juuri tehnyt ensimmäisen täyden kierroksen ja palannut takaisin pisteeseen 2. [CMS e-commentary]
Kerrassaan loistava suoritus LHC:n rakentaneilta ihmisiltä! Paineet ovat varmasti olleet kovat, kun sadat toimittajat ja tuhannet kollegat seurasivat käynnistyksen etenemistä silmä kovana. LHC-väellä on nyt syytäkin hymyillä.
LHC:n ohjaamo jatkaa nyt ohjaamalla hiukkassuihkua 2 (vastapäivään kulkeva suihku) ensimmäiselle kierrokselle samaan tapaan kuin suihku 1 (myötäpäivään) jo teki.
CMS-kokeen päiväkirjamerkintöjä sekä kuvia CMS-kokeen havaitsemista LHC-kiihdyttimen synnyttämistä hiukkasista voi katsella osoitteessa:
http://cmsdoc.cern.ch/cms/performance/FirstBeam/cms-e-commentary.htm
edit klo 15:00: Hiukkassuihku 2 teki juuri ensimmäisen kierroksen kiihdyttimen ympäri! Molemmat suunnat on nyt testattu, ja hiukkassuihku 1 on tehnyt parhaimmillaan kolme täyttä kierrosta.
P.S. Nelosen uutisissa juttua tänään klo 19:30.
Suorana CERNistä, LHC:n hiukkassuihku 1 on juuri tehnyt ensimmäisen täyden kierroksen hieman ennen klo 10:30 (CERN, GMT+2) raikuvien aplodien saattelemana!
Kuva: Hiukkassuihku on kiertänyt ensimmäisen täyden kierroksen ja osunut uudelleen suihkumonitoriin. [LHC logbook]
Kuva: Olisiko Higgs jäänyt tänne kiinni? [(C) CERN]
Hiljattain ilmestyneessä Tekniikka & Talous -lehdessä esitettiin joukko kysymyksiä hiukkasfyysikolle, aiheena LHC ja CERNissä tehtävä tutkimus. Mikä on Higgsin hiukkanen ja miksi se on niin tärkeä? Entä jos sitä ei löydykään? Näihin ja moniin muihin kysymyksiin voi etsiä vastausta lehden nettijulkaisusta:
http://www.tekniikkatalous.fi/tk/article120091.ece
Lisää kysymyksiä voi myös esittää blogin kommenteissa!
University of Helsinki