Higgsin metsästäjät

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.

“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.

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