Neljä vuosikymmentä erämaassa
Viime viikolla alkaneessa ICHEP-konferenssissa on julkaistu CERNin LHC-kiihdyttimen kokeiden ATLAS ja CMS uusimmat tulokset. LHC on nostanut törmäysten tahtia: toukokuusta kesäkuuhun se tuplasi vuoden 2015 datamäärän, ja ehti vielä viime viikolla valmistuneeseen analyysiin tuplata sen taas.
Odotetuin ilmiö oli viime joulukuun vihjeet uudesta hiukkasesta: ATLAS ja CMS olivat nähneet poikkeuksellisen 750 GeVin fotonipareja, mikä saattoi kieliä uuden, tuntemattoman hiukkasen hajoamisesta. Kirjoitin joulukuussa seuraavasti:
”Lupaavaa on se, että kumpikin koeryhmä näkee samanlaisen signaalin. Tämä kasvattaa sen todennäköisyyttä, että kyseessä on todellinen ilmiö, eikä vain sattuma. Toisaalta kummankaan koeryhmän datassa yksinään signaali ei ole tilastollisesti merkittävä, eikä dataa ole vielä huolella yhdistetty, joten on liian aikaista sanoa signaalia merkittäväksi.”
Totesin myös, että ”outoa onkin sitten kaikki muu”, koska hiukkasesta ei näkynyt jälkeäkään muuten kuin ylimääräisinä fotoneina. Yleensä jos hiukkanen voi hajota kahdeksi fotoniksi, niin se voi hajota myös muunlaisiksi hiukkasiksi. Esimerkiksi Higgsin löydettiin myös kahdeksi Z-hiukkasen hajoamisen kautta. Maaliskuussa huhuttiin, että uusi hiukkanen ehkä julistettaisiin löydetyksi, mutta vaikka uusi data tuki havaintoa, se ei vielä riittänyt varmuuteen. Totesin, että ”viimeistään vuoden loppuun mennessä saataneen varmuus siitä, onko kyseessä löytö vai yksi monista vääristä vihjeistä siitä, mitä on Standardimallin tuolla puolen”. Kesäkuussa huhujen suunta oli kääntynyt siihen, että taas joudutaan pettymään.
Uusi data on nyt selvittänyt asian: uutta hiukkasta ei ole. Datassa ei näy mitään erityistä 750 GeVin energialla, eikä missään muuallakaan. Kyse oli vain kohinasta, sen takana ei ole signaalia.
Mahdollinen hiukkanen sai paljon julkisuutta, ja siitä tuli hiukkasteoreetikkojen pääasiallinen mielenkiinnon kohde puolen vuoden ajaksi. Aiheesta julkaistiin noin sata artikkelia kuukaudessa, ensimmäiset niistä oli jätetty vain muutaman tunnin kuluttua siitä kun tulokset oli julkistettu.
CMS-koeryhmän jäsen Tomaso Dorigo on sitä mieltä, että kokeellisten fyysikoiden olisi pitänyt olla varovaisempia tulostensa julkistamisen kanssa, mutta mielestäni kokeilijoissa ei ole tässä vikaa. Kun OPERA-koe piti vuonna 2011 lehdistötilaisuuden valoa nopeammista neutriinoista (jotka pian todettiin mittauslaitteiden virheeksi), saattoi alun alkujaankin sanoa, että heidän olisi pitänyt ensin setviä asiaa tarkemmin. Kun BICEP2 väitti vuonna 2014 havainneensa gravitaatioaaltoja, tulos näytti alkuun hyvältä, mutta ongelmia tuli pian esille, niin että saattoi sanoa ryhmän vetäneen mutkia turhan suoriksi. Sen sijaan ATLAS ja CMS tekivät nyt kaiken oikein: ne eivät väittäneet löytäneensä mitään eivätkä pitäneet lehdistötilaisuutta (mistä toimittajat antavat sellaisen käsityksen, että jotain merkittävää on löydetty, sanottiinpa siellä mitä tahansa).
Tapaus oli sikäli poikkeuksellinen, että naiivisti arvioitu todennäköisyys sille, että kyseessä on vain Standardimallin kohinaa, oli hyvin pieni: alle 1 vastaan 100 000, kun molempien koeryhmien datan laittaa yhteen. Tämän luvun tulkinnan kanssa pitää kuitenkin olla huolellinen, koska ATLAS ja CMS etsivät poikkeamia monista eri hiukkassignaaleista useilla energioilla. Jos tutkii kokeessa 20 eri asiaa, niin luultavasti jossain niistä saa tuloksen, jonka todennäköisyys on vain 5%, jos oletettu malli pitää paikkansa. Tästä ei tietenkään voi päätellä, että malli on 95% todennäköisyydellä väärin, kuten sarjakuva xkcd havainnollistaa. (Valitettavasti tätä ei monien alojen tiedeuutisoinnissa tunnuta hahmottavan.)
Hiukkasfysiikassa pitää ottaa huomioon ensinnäkin se, että olisi ollut aivan yhtä yllättävää, jos viitteitä uudesta hiukkasesta olisi näkynyt millä tahansa muulla energialla; tämä on suhteellisen suoraviivaista laskea. Mutta sen lisäksi täytyy pitää kirjaa siitä, että kokeissa on katsottu myös useita muita seikkoja kuin fotoniparien lukumääriä. Poikkeavan havainnon tilastollinen merkitys riippuu koko suoritetusta koesarjasta, ei vain niistä havainnoista, joissa poikkeama löydetään. LHC:n datasta tehdään kuitenkin niin paljon erilaisia analyysejä, joista kaikki eivät ole riippumattomia toisistaan, että on vaikeaa määritellä yksittäisen havainnon tilastollista merkitystä kiistattomasti. Perinteisesti on käytetty standardia, jonka mukaan naiivin todennäköisyyden (eli kun otetaan huomioon vain poikkeava havainto) pitää olla noin 1 vastaan kolme miljoonaa, ennen kuin voidaan julistaa mitään löydetyksi. Nyt kun dataa syynätään yhä useammilla eri tavoilla, voi olla, että tätä voidaan vielä joutua säätämään tiukemmalle. Higgsin kohdalla tämä raja ylittyi ATLAS-kokeen ja CMS:n kohdalla erikseen, joten mahdollisuus, että signaali olisikin kohinaa, oli mitättömän pieni. (ATLAS ja CMS eivät tosin ole täysin riippumattomia kokeita, koska niissä käytetään osittain samoja ohjelmistoja.) Myös LIGOn havaitsemien gravitaatioaaltojen löytämiseksi oli kaksi erillistä detektoria, ja vaikka kynnys taisi ylittyä vain niiden yhdistetyn datan kohdalla, tehtyjen analyysien määrä ja odotetut signaalit ovat paremmin hallussa.
Higgsin tapaus oli erilainen myös sikäli, että havainnot olivat sellaisia, mitä uudelta hiukkaselta odottaisikin. En tarkoita vain sitä, että Standardimalli ennusti Higgsin olemassaolon ja sen massa oli rajattu pienelle alueelle, vaan myös sitä, että samaan aikaan fotoniparien kanssa näkyi muitakin signaaleja, jotka voimistuivat lisädatan myötä odotetulla tavalla. Sen sijaan 750 GeVin fotoniparit vaikuttivat alkuunkin kummalliselta. Tämä 750 GeVin haamujahti on esimerkki siitä, että naiivisti arvioitu todennäköisyys pitää tulkita sen valossa, kuinka luultavalta signaali vaikuttaa, ennen kuin sitä saadaan varmennettua. Tällaiset arviot ovat tietysti makuasioita, ja usein löytöjä on tehty sieltä, mistä niitä ei ole osattu odottaa.
Tilanne on sikäli hyvä, että LHC on käynnissä vielä pitkään, ja kiihdyttää törmäystahtiaan koko ajan. Niinpä uusista poikkeamista saadaan varmuus yksinkertaisesti vain odottamalla lisää dataa. Kun tiedettiin tarkkailla vain 750 GeVin energiaa ja vain fotonipareja tämän kesän datasta, niin ei ollut sellaista ongelmaa, että katsottaisiin monia asioita. Sanottiinpa tästä hiukkasjahdista mitä tahansa, niin ainakin asia selvitettiin tarkkojen kokeiden avulla, ja päädyttiin selvään tulokseen (vaikka se olikin muuta kuin mitä toivottiin). Periaatteessa ei siis tarvitse hätiköidä. Todellisuudessa teoreetikot kuitenkin rynnivät julkaisemaan vanhoja ideoita sadoissa uusissa kuoseissa selittämään 750 GeVin olematonta hiukkasta, ja on syytä huolestua siitä, että he jatkavat kohinan tulkitsemista.
Yksi syy tähän on se, että jos jonkun tikka osuu oikeaan niin hän on voittaja, mutta sadat muut eivät menetä mitään. Jos kukaan ei ole oikeassa, niin kaikkien tilanne on huono eli yhtä hyvä. Jokainen saa uusia julkaisuja ja uusia viitteitä, jotka ovat tutkijoiden keskuudessa käypää valuuttaa, eikä kukaan ole muita jäljessä. Toisaalta teoreetikot saattoivat siirtyä muiden tutkimusaiheiden parista tehtailemaan tieteellisiä artikkeleita tästä vain siksi, että ei ole parempiakaan ideoita. Standardimalli saatiin valmiiksi yli neljä vuosikymmentä sitten, ja neutriinojen muuttumista toisikseen lukuun ottamatta maan päällä ei ole löytynyt mitään sen tuolta puolen. (Taivaalla on toisin.)
Silloin kun rupesin opiskelemaan fysiikkaa Helsingin yliopistossa vuonna 1992, hiukkasfysiikan oppikirjoissa puhuttiin erämaasta, joka ulottuu Standardimallin energiaskaaloilta yhtenäisteorioihin asti. Tällä tarkoitettiin sitä, että välissä olevilla energioilla ei olisi mitään uutta fysiikkaa löydettävänä. Tämä olisi hyvin erilainen tilanne verrattuna tuntemiimme energioihin, missä on molekyylifysiikkaa, atomifysiikkaa, ydinfysiikkaa, värivuorovaikutus ja muu Standardimalli, kerros kerrokselta. Tällöin oli kuitenkin vielä sellainen ajatus, että Standardimallin lisäksi samoilla energioilla olisi sen kanssa paljon uutta fysiikkaa tutkittavaksi ennen erämaahan astumista. Suosittuja ideoita olivat erilaisiin esteettisiin näkemyksiin perustuvat supersymmetria ja tekniväri (olen itse mieltynyt jälkimmäiseen). Nyt kun mitään ei ole löytynyt, niiden taustalla olevat kauneuskäsitykset eivät näytä enää niin houkuttelevilta, mutta uusista tienviitoista ei ole vielä selvyyttä. Vaellus erämaassa uhkaa käydä pitkäksi.
14 kommenttia “Neljä vuosikymmentä erämaassa”
Vastaa
Kesäöiden kohinaa
Viime joulukuussa CERNin LHC-kiihdyttimen kokeet ATLAS ja CMS ilmoittivat kumpikin nähneensä tavallista enemmän fotonipareja, joiden yhteenlaskettu energia oli noin 750 GeV (yhden GeVin energia vastaa suunnilleen yhden protonin massaa). Tämä saattaa olla osoitus siitä, että LHC:n protonitörmäyksissä syntyy hiukkanen, jonka massa vastaa 750 GeVin energiaa, ja joka hajoaa kahdeksi fotoniksi. Tällainen löytö mullistaisi hiukkasfysiikan.
Aiheesta ilmestyi viikossa kymmeniä tieteellisiä artikkeleita, ja puolessa vuodessa niitä on kertynyt yli 600. Yksi syy intoon on se, että molemmat kokeet näkivät toisistaan riippumattomasti saman asian, vaikka niiden data ei yhdessäkään riittänyt siihen, että uutta hiukkasta voisi sanoa varmaksi. Kollegani Jester onkin kieli poskessa jakanut palkintoja tutkijoille, jotka ovat keränneet sadoittain viittauksia teoreettisilla selityksillään ilmiöstä, jota ei ehkä ole olemassa. (Hän on itsekin osallistunut kisaan kahden artikkelin voimalla.)
Maaliskuussa huhuttiin, että uuden data-analyysin myötä signaali olisi kirkkaampi, melkein niin selkeä, että voitaisiin julistaa hiukkanen löydetyksi. CMS:n mukaan signaalin voimakkuus nousikin, mutta ATLAS ei julkaissut kaikkia tuloksiaan, ja tarkempia uutisia jäätiin odottamaan.
Nyt koeryhmillä on käytössään kaksinkertainen määrä dataa joulukuuhun verrattuna, ja ne ovat aloittaneet sen setvimisen. Lisäksi LHC käynnistyi taas toukokuussa, ja se tahkoo törmäyksiä päivät yöt sellaista tahtia, että elokuussa datan määrä saattaa olla taas kaksinkertaistunut. Jahtiin on liittynyt ATLASin ja CMS:n seuraksi kolmaskin detektori, TOTEM (jossa fysiikan tutkimuslaitos on mukana, kuten CMS:ssäkin).
Koeryhmien nähtyä kesäkuussa uuden datan on alkanut kiertää huhuja, joiden mukaan fotonipareja oli syntynyt aiemmin vain sattumalta odotettua enemmän, eli uutta hiukkasta ei ole. Viimeistään elokuun ICHEP-konferenssissa signaalin pitäisi erottua kohinasta.
3 kommenttia “Kesäöiden kohinaa”
-
Lentotaidoton sanoo:
Niin Lundista ei mitään uutta:
The timing of the LHCP meeting is too early to have new physics results from the latest, 2016, data.
Ainoastaan tämä (toisesta aiheesta): The LHCb collaboration are presenting, for instance, new results about tetraquarks and pentaquarks, the new class of particles discovered last year.
Seuraavaksi:
The next big event for LHC physics results is planned for early August in Chicago, at the ICHEP 2016(link is external) conference.https://home.cern/about/updates/2016/06/lhcp2016-latest-results-lhc-experiments
Ja väärä hälytys:
http://thescienceexplorer.com/universe/discovery-new-lhc-particle-likely-false-alarm -
Eusa sanoo:
Kuinka todennäköistä on, että Higgsin bosonin massa saadaan: 400/3 * protonin massa? Ja että jollain tapaa esiin nousseet kaiut 800 * protonin massa?
-
Syksy Räsänen sanoo:
Hiukkasfysiikassa ei ole noin yksinkertaisia numeerisia yhteyksiä massojen välillä, ne määräytyvät monimutkaisemmin.
-
Vastaa
Aallot ajua lisää
Viime kuussa Helsingissä vieraillut LIGO-tutkimusryhmän jäsen Stefano Foffa lupaili gravitaatioaaltouutisia kesäkuulle, emmekä joutuneet pettymään. Viikko sitten LIGO julkaisi toisen gravitaatioaaltohavaintonsa.
LIGOn ensimmäinen havaintokausi kesti neljä kuukautta, viime syyskuusta tammikuuhun. Ensimmäisen gravitaatioaaltonsa LIGO näki heti syyskuussa. Toinen aalto kulki Maapallon läpi tapaninpäivänä. LIGO saattoi nähdä niiden välissä lokakuussa kolmannenkin aallon, mutta todennäköisyys sille, että kyseessä on signaali eikä kohinaa on vain 87%, joten varmoja havaintoja on vain kaksi.
Sekä joulukuun että syyskuun aallot syntyivät kahden mustan aukon törmäyksessä. Syyskuun aukot olivat yllättävän isoja, niiden massa oli noin 30 Auringon massaa, joulukuun aukot olivat kevyempiä, 14 ja 8 Auringon massaa. Niinpä niiden lähettämät gravitaatioaallotkin olivat heikompia: törmäyksessä aukkojen massasta noin yhden Auringon verran muuttui gravitaatioaalloiksi. Tämä on vain kolmannes syyskuun törmäyksen aaltojen energiasta. LIGOn havaintoherkkyyden rajoissa oleva joulukuun aallon osa kesti sekunnin, minkä aikana 55 aallonharjaa pyyhki laitteiden läpi. Toisin kuin syyskuun aaltoa, tätä ei olisi havaittu, ellei sitä vastaavaa signaalia olisi löytynyt LIGO-ryhmän simulaatiokirjastosta. Uutta oli se, että ainakin toinen aukoista pyöri vinhaan akselinsa ympäri hyrrän lailla.
Toisen gravitaatioaallon näkeminen auttaa kartoittamaan poikkeamia yleisestä suhteellisuusteoriasta. Molemmat signaalit ovat sopusoinnussa sen kanssa, mitä suhteellisuusteoria ennustaa mustien aukkojen törmäyksistä. Teoria on kuitenkin sen verta monimutkainen, että tarvitaan lisää havaintoja kaikkien mahdollisten poikkeamien tarkkaan rajoittamiseen – tai jonkun niistä havaitsemiseen. Jotkut poikkeamat on nyt rajoitettu olemaan korkeintaan 10% luokkaa, toiset voisivat vielä olla muutaman sadan prosentin suuruisia.
LIGOn herkkyys paranee koko ajan. Tutkimusryhmä arvioi näkevänsä syksyllä alkavan puolen vuoden havaintokauden aikana ainakin kymmenen aaltoa. Ensi vuoden yhdeksän kuukautta kestävän kauden aikana haaviin pitäisi jäädä useita kymmeniä. Alun perin mustia aukkoja pidettiin eksoottisina kummajaisina. On sykähdyttävää ajatella, että jos LIGO saavuttaa suunnitellun herkkyyden, niin saamme elää aikana, jolloin mustien aukkojen törmäyksiä nähdään päivittäin.
8 kommenttia “Aallot ajua lisää”
-
Voitko kuvailla suomeksi mitä tarkoitetaan ”least-damped quasi-normal mode”:lla?
Tarkoittaako se aaltoyhtälön kompleksisia ominaisarvoja vähimmän vaimentumisen tilanteessa?
Kuinka tuollainen ennuste saadaan yleisestä suhteellisuusteoriasta? Muodostuuko kvasistationaarisia tiloja ja ovatko ne fysikaalisesti tulkittavissa?
Osaatko arvioida mikä merkitys aaltohäiriöihin ja vaimennukseen on mustan aukon ympäristön muulla massajakaumalla ja voisiko aukkoon jo jotuneen aineen massajakaumalla olla merkitystä?
Eniten minua kiinnostaa yhteensulautumisen jälkeinen ringdown-vaihe.
-
En asiayhteydestä irrotettuna osaa kommentoida tuota termiä.
En ymmärrä, mitä tarkoitat ”kvasistationaarisilla tiloilla” tässä.
Mustaan aukkoon joutuneen aineen jakaumalla ei ole merkitystä, ainakaan yleisessä suhteellisuusteoriassa. Ympäristön aineen jakaumalla ei oletettavasti ole merkitystä. (On tosin ehdotettu, että syyskuussa nähdyssä törmäyksessä olisi syntynyt myös gammasäteitä, ja että tämä selittyisi siten, että mustien aukkojen lisäksi systeemissä on merkittävästi muutakin ainetta, millä voisi olla vaikutusta. Tämä on kuitenkin varsin spekulatiivista.)
-
-
Kimmo Metso sanoo:
Kiinnostaa tuo aallon etenemisnopeus.
Mikä on ollut havaittujen aaltojen etenemisnopeus?
Mikä määrittää etenemisnopeuden?
Muttuuko nopeus väliaineessa kuten valolla?
Häviääkö samalla aallosta energiaa?
Vastasi havainnot teoriaa etenemisnopeuden suhteen? -
Kimmo Metso:
Gravitaatioaallot etenevät yleisessä suhteellisuusteoriassa valonnopeudella, ja havainnot ovat sopusoinnussa tämän ennusteen kanssa. Aine ei vaikuta aaltojen etenemisnopeuteen. Aallot menettävät energiaa kun ne vuorovaikuttavat aineen kanssa (muuten niitä ei voisikaan havaita), mutta gravitaatioaaltojen vuorovaikutus on niin heikkoa, että energian menetys on pieni.
-
Pentti S. Varis sanoo:
Kuumassa kahvissa tai sen pinnalla nähdään useita fysiikan ilmiöitä tai niiden analogioita kuten sääilmiöitä, hiukkasfysikaalisia ilmiöitä jne. Lusikalla on helppo tuottaa myös kaikkiallinen topologinen defekti, Falaco solitoni
Kerran näin sattumalta, miten kaksi samankokoista kahvipisaraa alkoi lähestyä toisiaan spiraaliratoja pitkin lopulta kieppuen yhteen aivan samoin kuin mustat aukot painovoima-aaltojen syntyessä. Lieneekö ilmiön energia peräisin haihtumisesta vai kahvin sisäisistä lämpövirroista, en ole vielä pohtinut.Joka tapauksessa ilmiö on hyvin harvinainen.
-
M Hiltunen sanoo:
Käsittääkseni mustien aukkojen yhteensulautumisia voitaisiin käyttää Einsteinin ekvivalenssiperiaatteen pätevyysalueen testaamiseen (https://arxiv.org/abs/1604.06668) En tunne aihetta kovin perusteellisesti, mutta ilmiön suhteen lienemme lähestymässä mittaustarkkuutta jolla havaittu poikkeama tai sen puute olisivat kumpikin arvokkaita löytöjä sinänsä.
Pystytkö yhtään valottamaan asiaa ja sitä kuinka tutkimisen arvoisena tätä pidetään? -
M Hiltunen:
Ekvivalenssiperiaate oli idea, jota Einstein käytti yleisen suhteellisuusteorian muotoilemisessa. Yleinen suhteellisuusteoria suurilta osin (mutta ei täysin) toteuttaa tämän periaatteen. (Oikeastaan ekvivalenssiperiaatteesta on useita erilaisia muotoja.)
Nykyaikaisesta näkökulmasta ekvivalenssiperiaate ei siis oikeastaan ole erillinen periaate, vaan yksi yleisen suhteellisuusteorian ominaisuus. Tämän ominaisuuden testaamista pidetään kyllä tärkeänä, mutta poikkeamat siitä ovat vain yksi esimerkki poikkeamista yleisestä suhteellisuusteoriasta.
Gravitaatioaaltoja käytetään poikkeamien etsimiseen yleisestä suhteellisuusteoriasta, ja ekvivalenssiperiaatetta tulee luodattua niiden myötä, mutta se ei tietääkseni ole erityisesti esillä.
Mainitsemasi artikkeli perustuu siihen ideaan, että syyskuun gravitaatioaallot ja samaan aikaan nähty gamnmasädepurkaus ovat peräisin samasta tapahtumasta, mutta ei tiedetä, onko tosiaan näin, ja ajatusta pidetään melko spekulatiivisena.
Vastaa
Käänteitä taivaankannen selityksessä
Puhuin toukokuussa inflaation ja Higgsin kentän mahdollisesta yhteydestä (esityksen kalvot ovat täällä), joten kirjoitanpa siitä jotakin tänne.
Inflaatio on yksi kosmologian tärkeimmistä tutkimuskohteista. Inflaatioidean mukaan maailmankaikkeuden laajeneminen kiihtyi ensimmäisen sekunnin murto-osan aikana ja maailmankaikkeus venyi miljardeja miljardeja miljardeja kertoja isommaksi. Inflaation aikaiset kvanttivärähtelyt muodostivat siemenet, joista maailmankaikkeuden kaikki rakenne on syntynyt. Niiden alkuperäinen muoto näkyy selkeimmin kosmisessa mikroaaltotaustassa.
Inflaatiosta arvellaan olevan vastuussa jokin koko avaruuden täyttävä kenttä. On esitetty satoja erilaisia ideoita siitä, millainen tämä kenttä tismalleen on. Voi olla, että kyseessä on jokin toistaiseksi tuntematon kenttä, mutta kokeellisesti työhön sopivia ehdokkaita tunnetaan tismalleen yksi: Higgsin kenttä, johon liittyvän Higgsin hiukkasen CERNin LHC-kiihdytin löysi vuonna 2012. Higgsin kenttä täyttää koko avaruuden tasaisesti, ja se antaa tunnetuille alkeishiukkasille (paitsi ehkä neutriinoille) massat.
Ajatuksen siitä, että Higgs olisi vastuussa inflaatiosta, esittivät Lausannessa Sveitsissä työskentelevät Fedor Bezrukov ja Mikhail Shaposhnikov vuonna 2007. Ajatus herätti paljon mielenkiintoa, ja sitä kohtaan esitettiin pian kritiikkiä. Yksi asia, josta on erityisesti kiistelty on se, miten inflaation, ja sen myötä kosmisen mikroaaltotaustan, yksityiskohdat riippuvat Higgsin massasta. Tuolloin LHC ei ollut vielä käynnistynyt, eikä Higgsin hiukkasen massaa tunnettu tarkkaan, oli vain laaja alue, missä sen tiedettiin olevan.
Bezrukovin ja Shaposhnikovin alkuperäisessä ehdotuksessa inflaatio tapahtuu jokseenkin samalla tavalla riippumatta siitä, mikä Higgsin massa tarkalleen on. Arvostelijat kuitenkin huomauttivat heti vuonna 2008, että kun otetaan huomioon muiden hiukkasten kvanttimekaaninen vaikutus Higgsin kenttään, sen käytös muuttuu siten, että inflaation yksityiskohdat riippuvat herkästi Higgsin massasta. Katsomalla taivaalta tulevia mikroaaltoja ja sitä, miten galaksit ovat jakautuneet miljoonien ja miljardien valovuosien mittakaavassa voidaan ennustaa, mikä Higgsin massan pitäisi olla. Arvostelijoiden mukaan muutos on vieläpä sellainen, että taivaankannen näkymät selittääkseen Higgsin pitäisi olla raskaampi kuin mitä kiihdytinhavainnot sallivat.
Higgs-inflaation kehittäjät ja muut tutkijat vastasivat tähän tekemällä entistä tarkempia laskuja siitä, miten kvanttiefektit vaikuttavat Higgsiin. Heidän tuloksensa vahvistivat, että inflaation kulku tosiaan riippuu Higgsin massasta, mutta osoittivat, että Higgsin ei tarvitse olla niin raskas kuin mitä oli väitetty: taivaan kuviot ovat sopusoinnussa kiihdytinten hiukkastörmäysten kanssa. Kun Higgsin massa saatiin vuonna 2012 tarkkaan selville, se oli niissä rajoissa, mitä Higgs-inflaatiomalli ennustaa.
Seuraava koettelemus oli se, että BICEP2-tutkimusryhmä väitti havainneensa inflaatiossa syntyneitä gravitaatioaaltoja. Ne olivat paljon voimakkaampia kuin ne, mitä Higgs-inflaatiossa oli ennustettu syntyvän. Bezrukov ja Shaposhnikov vastasivat osoittamalla, että on olemassa tapa saada Higgs-inflaatiosta voimakkaampia gravitaatioaaltoja, säätämällä muiden hiukkasten kvanttivaikutuksen yksityiskohtia tismalleen oikealla tavalla. Kun osoittautui, että BICEP2 oli nähnyt Linnunradan pölyä eikä muinaisten aikojen gravitaatioaaltoja, niin vanhakin versio Higgs-inflaatiosta kelpasi taas. Itse asiassa Higgs-inflaation ennusteet näyttivät sopivan Planck-satelliitin tekemiin tarkkoihin mittauksiin aivan erinomaisesti.
Kvanttimekaanisiin vaikutuksiin Higgsin kenttään on kuitenkin pitänyt vielä palata, ja ne ovat osoittautuneet odottamattoman kiperiksi. Higgsin käytös LHC:n törmäysenergioilla tunnetaan tarkkaan, mutta Higgs-inflaatiossa on kyse ainakin sata miljardia kertaa isommista energioista. Kun mennään korkeampiin energioihin, Higgsin käytös muuttuu, eikä se ole enää niin sävyisä kuin LHC:ssä.
Hiukkasfysiikan Standardimallin kertoo kauniisti, miten tunnettujen kenttien ja hiukkasten vuorovaikutukset riippuvat energiasta. Niinpä LHC:n mittausten pohjalta pitäisi olla mahdollista laskea, miten Higgs toimii inflaation aikana (olettaen, että välissä ei ole mitään toistaiseksi tuntematonta Standardimallin tuonpuoleista fysiikkaa, joka vaikuttaisi Higgsiin liikaa). Ongelmana on se, että inflaatiota tutkittaessa pitää ottaa huomioon hiukkasfysiikan lisäksi myös gravitaatio. Vuosikymmenten yrityksistä huolimatta ei ole saatu selville, miten gravitaatio ja kvanttiteoria oikein yhdistetään kvanttigravitaatioksi.
Inflaatio on toistaiseksi ainoa alue, missä kvanttigravitaatiota on pystytty kokeellisesti tutkimaan, eikä useimmissa inflaatiomalleissa tarvitse tietää tarkkaan, mistä kvanttigravitaatiossa on kysymys, pari yksityiskohtaa riittää ennustusten tekemiseen. Higgs-inflaation tapauksessa tarvitaan kuitenkin tavallista tarkempi ymmärrys siitä, miten gravitaatiota pitää kvanttimekaanisesti käsitellä. Asia on vielä tutkimuksen ja kiistelyn aiheena, eikä ole selvää, mitä Higgs-inflaation ennusteille käy.
Maaliskuussa Vera-Maria Enckell ja Kari Enqvist Helsingin yliopistosta sekä Sami Nurmi Jyväskylän yliopistosta julkistivat tutkimuksensa, jossa he lähestyvät asiaa agnostikon näkökulmasta. He jättävät avoimeksi sen, mikä kvanttikorjausten vaikutus tarkalleen on, ja käyvät läpi kokonaisen kirjojan vaihtoehtoja selvittääkseen sen, millaisia ennusteita Higgs-inflaatiosta ylipäänsä voi saada.
Toinen Higgs-inflaation mielenkiintoinen piirre on se, että sen ennusteet riippuvat gravitaatioteorian yksityiskohdista enemmän kuin useimpien inflaatiomallien, vaikka kvanttimekaniikkaa ei otettaisi huomioon. Jos inflaatiosta on vastuussa on Higgs, niin se voi tarjota ikkunan hiukkasfysiikan lisäksi myös gravitaatioon, mikä on eräs tämänhetkinen tutkimusaiheeni, jatko-opiskelija Pyry Wahlmanin kanssa.
Higgs-inflaation käänteet ovat esimerkki siitä, miten tutkimus etenee. Alkuperäistä ideaa kritisoidaa joskus rankastikin; osa huomioista on oikein, osa väärin, jotkut ristiriitaisia ja paljon on hämärää. Sen lisäksi, että teoreetikot ovat usein väärässä, niin BICEP2:n tapaus osoitti, että väitetyt havainnotkin ovat joskus pielessä, joten ei kannata heittää roskakoriin turhan helposti. Kun asioiden oikea laita lopulta saadaan selville, niin historian voi kirjoittaa yksinkertaiseen muotoon ja osa menneistä huolista voidaan pyyhkiä pois, mutta tutkimusta tehdessä asiat eivät ole ollenkaan niin selkeitä.
17 kommenttia “Käänteitä taivaankannen selityksessä”
-
Kiitos katsauksesta!
Harmi, etten voi kommentoida ilman, että samalla tulen esitelleeksi omaa tutkimusta ja teoriankehittelyä.
Yhden kysymyksen esitän: Onko Higgsin kertautumisesta sidosvuorovaikutuksissa koostettujen hiukkasten massaksi tiedossasi vakavasti otettavia hypoteeseja?
-
En ymmärrä kysymystä.
-
-
Toisen alan fyysikko sanoo:
Kiitokset blogista! Olenko ymmärtänyt oikein, että Higgsin potentiaaliin pitää tulla oikeanlaisia kvanttikorjauksia korkeammilla kentän arvoilla, jotta se olisi voinut toimia inflatonikenttänä? Eli toisin sanoen Higgsin kentän siirtyminen yksinkertaisesti meksikolaishatun päältä minimiin (nollaodotusarvosta energiaminimiin) ei sellaisenaan voi toimia ”slow-roll”-inflaationa?
-
Toisen alan fyysikko:
Higgs-inflaatio toimisi loistavasti ilman kvanttikorjauksia.
(Mutta jos haluaisi saada niin voimakkaita gravitaatioaaltoja kuin mitä BICEP2 väitti havainneensa, niin kvanttikorjausten pitää olla merkittäviä.)
-
Ehkä pitää vähän tarkentaa vastausta.
Tavallinen Higgsin meksikolaishattupotentiaali ei kelpaa. Sillä saa aikaan slow-roll -inflaation, mutta kentän itseisvuorovaikutuksen pitäisi olla paljon heikompi kuin mitä LHC:ssä on mitattu, jotta kvanttivärähtelyt olisivat yhtä pieniä kuin mitä kosmisessa mikroaaltotaustassa näkyy. Inflaatipotentiaalin pitää olla hyvin tasainen.
(Standardimallissa potentiaali on isoilla kentän arvoilla lambda*phi^4, ja lambda=0.1. Inflaatiossa pitäisi olla lambda=10^(-11).)
Tämän voi ratkaista siten, että kvanttikorjaukset pienentävät lambdan arvoa kentän kasvaessa, niin että inflaation energiaskaalalla se on tarvittavan pieni. Silloin kuitenkin syntyy paljon voimakkaampia gravitaatioaaltoja kuin mitä on havaittu.
Standardi-Higgs-inflaatiossa asia sen sijaan ratkaistaan siten, että Higgsin ja gravitaation välistä vuorovaikutusta muutetaan, ja tämä efektiivisesti muuttaa Higgsin potentiaalia isoilla kentän arvoilla siten, että se on A*phi^4/(1+a*phi^2)^2, eli lähestyy vakiota. Tämä kelpaa hyvin inflaatiolle.
-
-
Räsänen: ”Toinen Higgs-inflaation mielenkiintoinen piirre on se, että sen ennusteet riippuvat gravitaatioteorian yksityiskohdista enemmän kuin useimpien inflaatiomallien, vaikka kvanttimekaniikkaa ei otettaisi huomioon. Jos inflaatiosta on vastuussa on Higgs, niin se voi tarjota ikkunan hiukkasfysiikan lisäksi myös gravitaatioon, mikä on eräs tämänhetkinen tutkimusaiheeni, jatko-opiskelija Pyry Wahlmaninkanssa.”
Eli käsittääkseni tuo Fedor Bezrukovin ja Mikhail Shaposhnikovin teoria lähtee siitä, että gravitaatio voisi kohdistua Higgsin bosoniin toisella lailla kuin muihin hiukkasiin. Onko tämä se ”ikkuna”? Mitä tästä ikkunasta nyt näkyy (vaikka alustavasti) tutkimuksessanne. Aina kun edes vihjataan uutta tietä gravitaation ymmärtämiseen, niin sensorit herkistyvät.
Toinen kysymys: jonkinlaiset inflatonikentät lienevät kuitenkin enemmistön ehdotus. Osaatko sanoa, kuinka moni (suhteellisesti) kannattaa toista tai toista?
-
Lentotaidoton:
Higgs joka tapauksessa käyttäytyy eri tavalla kuin muut Standardimallin kentät, koska se on sen ainoa skalaarikenttä.
Skalaarikenttien on mahdollista vuorovaikuttaa gravitaation kanssa eri tavalla (en lähde tässä avaamaan miten – sanotaan vaikka ”suoremmin”) kuin muiden kenttien. Yleisestä suhteellisuusteoriasta on erilaisia muotoiluja, jotka ovat fysikaalisesti identtisiä silloin, kun tällaista ”suoraa” vuorovaikutusta ei ole mukana. Kun ”suora” kytkentä gravitaation ja skalaarikenttien välillä otetaan huomioon, ne antavat kuitenkin erilaiset ennusteet.
Inflatoni on vain nimi kentälle, joka ajaa inflaatiota, ei sen enempää. Higgs-inflaatiossa siis Higgs on inflatoni.
-
Räsänen: Inflatoni on vain nimi kentälle, joka ajaa inflaatiota, ei sen enempää. Higgs-inflaatiossa siis Higgs on inflatoni.
Tämä tietysti täysin selvää, kysyin vähän epäselvästi. Kysytään uudestaan: kuinka paljon on suhteessa sellaisia, jotka pitävät nimenomaan Higgsin kenttää inflatonina? Kysyn sentähden, että he ilmeisesti kuitenkin ovat vähemmistönä. Vai kuinka?
Vielä: jos mennään yli standarditeorian supersymmetriaan niin Higgsejä on viisi (+,- ja kolme neutr). Muuttaisiko tämä asetelmaa? Ja miten?
Kysynpä vieläkin: on esitetty, että inflaation aikana Higgsin kenttä on voinut olla muutaman(kin) kerran on/off. Silloinhan Higgs ilmeisesti ei ole voinut esiintyä laajenemisen inflatonina?
-
Lentotaidoton:
Higgs-inflaatiota pidetään yhtenä mallina muiden joukossa. Mitään inflaatiomallia ei enemmistö kosmologeista pidä parempana kuin muita, maut vaihtelevat.
Yksinkertaisimmassa supersymmetrisessä Standardimallin laajennuksessa on viisi Higgsin kenttää. Jos haluaisi toteuttaa Higgs-inflaation, niin se pitää laajentaa kattamaan gravitaation, supergravitaatioteoriaksi. Tämän minimaalisen mallisen supergravitaatiolaajennuksessa Higgs-inflaatio ei kuitenkaan toimi. Higgsin kenttien ja gravitaation vuorovaikutus on siinä erilainen.
Viimeistä kysymystä en ymmärrä. Vaikka Higgs ei olisi inflatoni, niin sen arvo inflaation aikana ei ole tasaisen nolla, koska sillä on kvanttifluktuaatioita.
-
Räsänen: ”Viimeistä kysymystä en ymmärrä. Vaikka Higgs ei olisi inflatoni, niin sen arvo inflaation aikana ei ole tasaisen nolla, koska sillä on kvanttifluktuaatioita”.
Olen ymmärtänyt näin: inflation aikaanhan oli superkylmää ja tuolloin Higgsin kenttä oli “päällä” (tosin heikko ja siksi melkein irrelevantti) ja hiukkasilla massa. Inflaation loppu (HBB) oli superkuuma ja kenttä ”pois päältä” ja hiukkaset massattomia. Ja sitten taas sähköheikossa symmetriarikossa jälleen ”päällä” (kylmää Higgsin näkökulmasta) ja hiukkaset saivat massan. Ja tilanne on pysynyt ”päällä” siitä lähtien. Ja universumin jäähtyessä on systeemien vaikeampi jättää tätä alimman energian tilaa. ”Päällä” siis sentähden koska päälläolo vaatii vähemmän energiaa kuin ”ei-päällä”. Higgsin kentän saattaminen taas nollaenergiaan (tai lähelle) vaatisi järjettömät energiat, eli palautuminen eri energiaminimeihin.
-
Lentotaidoton:
Melkein noin. (Oikeastaan tosin inflaation aikana ei ollut mitään lämpötilaa.) Inflaation aikana Higgsin kentän tyypillinen arvo oli kuitenkin paljon isompi kuin nykyään.
Viimeisessa virkkeessä taitaa mennä sekaisin nollaenergia ja kentän nolla-arvo.
-
Paluuviite: Kosmokseen kirjoitettua | Jokin sanoo poks
Vastaa
Isoja aukkoja, nopeita räjähdyksiä ja pieniä vuoria
Viime viikolla tuttuni Stefano Foffa Geneven yliopistosta käväisi Helsingissä puhumassa gravitaatioaalloista. Stefano kuuluu LIGO-tutkimusryhmään, joka helmikuussa ilmoitti tehneensä syyskuussa historiallisen löydön ja havainneensa kahden mustan aukon törmäyksestä noin miljardi vuotta sitten syntyneet gravitaatioaallot.
Jo helmikuussa oli huhuja, että LIGOlla on pussissa enemmänkin havaintoja, joita ei oltu ehditty käydä kokonaan läpi. Stefano vahvisti tämän sanomalla, että oli toivonut voivansa kertoa meille uusista tuloksista, mutta valitettavasti niiden julkistaminen on viivästynyt kesäkuulle.
LIGO-havaintolaitteiden nykyinen versio advanced LIGO näki gravitaatioaaltoja jo vähän ennen kuin se varsinaisesti edes oli tiedekäytössä. Tämä voi viitata siihen, että musta aukko –pareja onkin luultua enemmän ja havaintoja saadaan paljon, mutta nyt niitä odotellaan tulevan noin kerran kuukaudessa. LIGOn havaitsemien mustien aukkojen massa oli myös yllättävän iso, noin 30 Auringon massaa, ja on kiinnostavaa katsoa, onko tällaisia keskikokoisia mustia aukkoja olemassa paljon, vai oliko tämä poikkeus.
LIGO on avannut gravitaatioaaltotähtitieteen aikakauden, ja suuri havaintomäärä mahdollistaa asioiden tutkimisen uudella tavalla. Esimerkiksi syyskuun havainnon perusteella ei vielä pysty kovin hyvin rajoittamaan mahdollisia poikkeamia yleisestä suhteellisuusteoriasta. Ongelmana on se, että jos muokkaa suhteellisuusteoriaa jollain tavalla, niin signaalia voi säätää toiseen suuntaan muuttamalla sitä, millainen mustien aukkojen järjestelmä on – mikä on niiden pyörimissuuntien suhde, missä kulmassa ne lähestyvät toisiaan, missä asennossa niiden pyörimistaso on meihin nähden, ja niin edelleen. Kun havaitaan suuri määrä erilaisia järjestelmiä, tämä epävarmuus saadaan poistettua, koska teorian muutokset vaikuttavat kaikkiin niistä samalla tavalla, mutta yksilölliset piirteet eri tavalla.
Mustien aukkojen ja neutronitähtien törmäysten lisäksi LIGOlla on mahdollisuus nähdä gravitaatioaaltoja nopeasti pyörivien neutronitähtien vuorista sekä kenties supernovaräjähdyksistä. Jälkimmäistä rajoittaa se, että supernovaräjähdysten yksityiskohtia ei vielä ymmärretä, vaikka niillä on keskeinen asema maailmankaikkeuden kiihtyvän laajenemisen luotaamisessa. Mustat aukot ovat gravitaation kannalta äärimmäisiä ilmiöitä, alueita joissa tila kaartuu itseensä, niin että sieltä ei pääse pois. Niiden käsitteleminen on kuitenkin sikäli suoraviivaista, että voi vain laittaa yleisen suhteellisuusteorian lait ohjelmaan ja pistää koneen raksuttamaan. (Tämä ei ole ihan niin helppoa kuin miltä se kuulostaa.) Supernovissa pitää seurata gravitaation lisäksi myös ydinräjähdysten syttymistä ja räjähdysrintaman etenemistä sekä valon ja neutriinoiden kulkua tähden sisällä. Vaikka kaikki tähän liittyvä fysiikka tunnetaan periaatteessa, on näiden monimutkaisten tapahtumien tarkka laskeminen hankalaa.
Gravitaatioaallot ovat heikkoja, joten on suuri apu, jos tietää tarkkaan, mitä etsii. LIGOlla on mustien aukkojen törmäyksistä satojen tapahtumien kirjasto, johon havaintoja verrataan. Odotettua signaalia käytetään suodattimena, jolla kohinasta seulotaan signaalia. Ideana on se, että koska kohina ei ole korreloitunut signaalin kanssa, niin mitä pidempi havaintojakso on, sitä selvemmin signaali näkyy kohinan seasta. Mustien aukkojen tapauksessa seuranta-aikaa rajoittaa se, että niiden lähettämien gravitaatioaaltojen taajuus riippuu siitä, miten lähellä ne ovat toisiaan: mitä lähempänä aukot ovat, sitä nopeammin ne kieppuvat ja sitä isompi on aaltojen taajuus. Kun aukot ovat liian kaukana toisistaan, niiden lähettämien aaltojen taajuus on liian pieni, eli aallonpituus on liian iso, että LIGO näkisi niitä. Supernovien tilanne on vielä hankalampi, koska niiden gravitaatioaaltosignaalista puuttuu aukkojen lähestymistä vastaava osuus, jonka avulla signaali löytyy kohinasta, siinä on vain loppukiihdytys.
Neutronitähtien vuorien kohdalla tilanne on päinvastainen. Neutronitähdet ovat eläkkeelle siirtyneitä tähtiä, jotka ovat kutistuneet hyvin pieniksi, suunnilleen kymmenen kilometrin kokoisiksi. Tämän takia ne pyörivät hyvin nopeasti – kun pyörivä kappale pienenee, se pyörii nopeammin, kuten taitoluistelussa näkee. Neutronitähdet ovat hyvin tasaisia, mutta niiden pinnalla saattaa olla millimetrin kokoisia poikkeamia pallon muodosta. Nopean pyörimisliikkeen takia näiden pienten epätasaisuuksien lähettämät gravitaatioaallot saattavat olla havaittavissa LIGOlla. Niiden tilanne on päinvastainen kuin supernovilla: signaalissa ei ole mitään erityistä huippua, se on kokonaan kohinan alla, mutta toisaalta juuri siksi, että signaali ei muutu, sitä voidaan seurata vuosien ajan, niin että mitä pidempään havaintoja tehdään, sitä paremmin neutronitähtiä pitäisi näkyä.
Havaintoja on tulossa paljon lisää. LIGOn havaintoasemien verkkoon palaa kahden Yhdysvalloissa olevan aseman lisäksi tänä syksynä kolmas, Italiassa oleva Virgo. Rakenteilla on myös ainakin kaksi uutta havaintoasemaa. Viikon sisällä siitä, kun LIGO helmikuussa ilmoitti onnistumisestaan Intian hallitus päätti, että Intiaan rakennetaan LIGOn kanssa yhteistyössä uusi havaintoasema LIGO-India. Japaniin rakennetaan par’aikaa havaintolaitetta nimeltä KAGRA, joka aloittanee toimintansa vuoden 2020 tienoilla.
Havaintoasemien määrä ei auta vain kohinan vaimentamisessa, niiden avulla saadaan myös paremmin selville gravitaatioaaltojen tulosuunta. LIGOn kahden havaintoaseman avulla pystyy vain määrittämään taivaalla kaaren, jolla aaltojen lähde sijaitsee. Kolmella detektorilla lähteen paikan saa rajoitettua kahden kaaren risteyksiin, ja neljällä yhteen pisteeseen, tai käytännössä pieneen läiskään. Tästä on apua, jos halutaan selvittää, näkyykö taivaalla gravitaatioaaltolähteen lähettämää sähkömagneettista säteilyä. Supernovien pitäisi näkyä taivaalla, kun taas kahden mustan aukon paikalla lähettämän säteilyn odottaisi olevan liian heikkoa, että sen näkisi satojen miljoonien valovuosien päästä. On tosin väitetty, että kiertoradalla oleva Fermi-teleskooppi olisi nähnyt gammasäteitä (eli korkeaenergistä sähkömagneettista säteilyä), jotka olisivat peräisin LIGOn näkemästä kahden mustan aukon törmäyksestä. Tämä olisi hyvin yllättävää, ja tulevilla havainnoilla saadaan varmistettua asian laita.
10 kommenttia “Isoja aukkoja, nopeita räjähdyksiä ja pieniä vuoria”
-
Kimmo Metso sanoo:
Pohditutti tuo ”suodatin”. Tarkoittaako ”suodatin” tässä kohinan ja vertailusignaalin summaa, joka nostaa (korreloimalla) tunnistettavan signaalin kohinasta esiin?
Onko neutronitähtien toistuvan signaalin mahdollinen ”työväline” autokorrelaatio tai miten on tarkoitus hakea tunnistamatonta toistuvaa signaalia kohinan sisältä? -
Kimmo Metso:
Suodatin on teoreettisesti laskettu signaali. Se kerrotaan datalla ja integroidaan ajan yli. Jos data=kohina+signaali, niin integraalissa on termit kohina*signaali ja signaali*signaali. Koska kohina ja signaali eivät ole korreloituneet, ensimmäisen termin amplitudi laskee suhteessa toiseen sitä enemmän, mitä pidemmälle integroidaan (eli mitä pidemmältä ajalta on dataa, jossa signaali näkyy).
Myös neutronitähtien tapauksessa halutaan verrata teoreettista signaalia dataan.
Sanottakoon, että selkeitä signaaleja voi kyllä nähdä datasta ilman, että tarkalleen tietää, mitä ne ovat. Esimerkiksi syyskuun signaali näkyy datassa, vaikka ei käyttäisi teoreettisesti laskettua aaltoa suodattimena. (Jotain pitää tietysti silti tietää siitä, mitä etsii.)
En tiedä, kuinka tarkkaan neutronitähtien odotettu signaali pitää tuntea, onko sitä mahdollista löytää vain jaksollisuuden ja taajuuden perusteella.
-
https://www.ligo.caltech.edu/system/media_files/binaries/306/original/ligo-press-kit.pdf
Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger B. P. Abbott et al.* (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration) (Received 21 January 2016; published 11 February 2016)
Sivu: 061102-7: The waveform model [77,78] assumes that the spins of the merging objects are aligned with the orbital angular momentum, but the resulting templates can, nonetheless, effectively recover systems with misaligned spins in the parameter region of GW150914 [44]. Approximately 250 000 template waveforms are used to cover this parameter space
Räsänen: “Gravitaatioaallot ovat heikkoja, joten on suuri apu, jos tietää tarkkaan, mitä etsii. LIGOlla on mustien aukkojen törmäyksistä satojen tapahtumien kirjasto, johon havaintoja verrataan”.
Puhutaanko tässä nyt samasta asiasta?
-
Lentotaidoton:
Kyllä.
Käyttämäni lukumäärä on paljon alakanttiin, koska ajattelin sitä, kuinka monia erilaisia numeerisia laskuja mustien aukkojen törmäyksistä on tehty. Yksi lasku vastaa useampaa kuin yhtä mahdollista tapahtumaa, koska tapahtumat, joissa kappaleiden suhteelliset koot ja etäisyydet ovat samat, tuottavat samanlaisen signaalin, mutta eri taajuudella, ja eri etäisyydellä olevien muuten samanlaisten tapahtumien signaali on erilainen, mutta niissä voi käyttää samaa aallontuottolaskua.
En itse asiassa tarkkaan tiedä, montako täyttä numeerista törmäyslaskua LIGO-ryhmä on tehnyt – niitä voi olla tuhansia, mutta tuskin satoja tuhansia.
-
Paluuviite: Kosmokseen kirjoitettua | Aallot ajua lisää
-
Paluuviite: Kosmokseen kirjoitettua | Pastaa syvemmälle
-
Paluuviite: Kosmokseen kirjoitettua | Toisen kauden kuviot
-
Paluuviite: Kosmokseen kirjoitettua | Toismaailmallinen arki
Vastaa
Voimalinjojen siemenet
Eräs maailmankaikkeuden silmiinpistävimpiä piirteitä on se, että siinä on rakenteita hyvin pienestä äärimmäisen isoon mittakaavaan. Galaksien superryppäiden tyypillinen koko on kymmenen miljoonan valovuoden luokkaa, ja isoin tunnettu rakenne on miljardin valovuoden pituinen galaksirihma Sloan Great Wall, joka on nimetty Sloan Digital Sky Surveyn mukaan. Rihman itse asiassa näki ensin havaintoprojekti 2dFGRS, mutta he eivät keksineet nimetä sitä.
Lisäksi niidenkään galaksien, jotka eivät kuulu isompiin rakenteisiin, sijainnit eivät ole riippumattomia toisistaan. Galaksit eivät ole syntyneet maailmankaikkeuteen tasaisesti sinne tänne, vaan niiden jakaumalla on tarkka muoto.
Paras selitys tämän rakenteen alkuperälle on kosminen inflaatio. Inflaatioidean mukaan maailmankaikkeuden ensimmäisen sekunnin perukoilla kenttä nimeltä inflatoni täytti koko avaruuden. Inflatoni kiihdytti avaruuden laajenemista, mikä puolestaan venytti inflatonin kvanttivärähtelyjä kosmisiin mittoihin ja jäädytti ne paikalleen. Nämä inflatonin epätasaisuudet ovat sittemmin olleet galaksien ja muun rakenteen siemeniä.
Näkyvien galaksirihmastojen, ja niiden taustalla olevan pimeän aineen, lisäksi maailmankaikkeudessa on isoja rakenteita, jotka eivät koostu aineesta, vaan magneettikentistä. Magneettikenttien linjat ulottuvat valovuosista suurimpaan havaittavaan mittakaavaan, kymmeniin miljardeihin valovuosiin. (Olen aiemmin kirjoittanut, että miljoonaa valovuotta isompia magneettikenttiä ei havaittu. Tutustuttuani aiheeseen enemmän olen sitä mieltä, että se oli ehkä turhan varovainen arvio, vaikka havainnoista kiistelläänkin vielä.)
Galaksien magneettikentät ovat noin miljoona kertaa Maapallon magneettikenttää heikompia, mutta kosmisessa mittakaavassa ne ovat aika voimakkaita. Ne ovat vahvistuneet samalla tavalla kuin Maapallonkin magneettikenttä. Sähkövaraukset synnyttävät sähkökenttiä, ja pyörteiset sähkökentät synnyttävät magneettikenttiä. Maapallon metalliytimessä kiertävät sähkövirrat saavat aikaan magneettikenttiä, ja niissä liikkuvat sähkövaraukset synnyttävät lisää sähkövirtoja, jotka taas vahvistavat magneettikenttiä. Samalla tapaa galaksien pyöriminen voimistaa niiden magneettikenttiä. Galakseissa ei kuitenkaan ole samanlaisia isoja sähkövirtoja kuin Maapallon ytimessä, joten on epäselvää, mistä niiden magneettikentät ovat saaneet alkunsa.
Vielä hankalampi on selittää sitä, että magneettikenttiä on löydetty myös galaksien välisestä avaruudesta, miljardien valovuosien pituudelta. Ne ovat paljon galaksien kenttiä heikompia, ei tiedetä tarkalleen kuinka paljon: ainakin tuhat kertaa, kenties jopa sata miljoonaa kertaa heikompia. Suurimmillaan ne olisivat sattumoisin yhtä vahvoja kuin ihmisen aivojen magneettikentät. Ensi silmäyksellä yksinkertaisin selitys näille kentille olisi se, että ne ovat vuotaneet galakseista. Näitä isokokoisia magneettikenttiä vaikuttaa kuitenkin olevan jo melko varhaisessa maailmankaikkeudessa, ja on vaikea selittää sitä, miten ne olisivat ehtineet muodostua galakseissa ja valua ulos tarpeeksi nopeasti.
Eräs mahdollinen selitys on se, että galaksienväliset magneettikentät ja galaksien alkumagneettikentät eivät ole syntyneet sähkökentistä, vaan tyhjästä. Jos galaksien siemenet ovat syntyneet inflaation aikana kvanttifluktuaatioista, niin ehkä sama pätee magneettikenttiin? Tämä selittäisi magneettikenttien ison koon: ne ovat venyneet inflaation aikana.
Ongelmana on kuitenkin se, että magneettikentän kvanttifluktuaatiot käyttäytyvät laajenevassa avaruudessa eri tavalla kuin inflatonin. Kvanttifluktuaatioita on koko ajan kaikkialla, mutta arkioloissa ne ovat hyvin pieniä ja lyhytkestoisia. Kiihtyvä laajeneminen venyttää inflatonin värähtelyt kosmisiin mittoihin ja jäädyttää ne paikalleen. Näin pienestä värähtelystä syntyy mittavia epätasaisuuksia. Sähkömagneettinen kenttä käyttäytyy toisin: sen värähtelyt eivät jäädy paikalleen, ne vain jatkavat pomppimista ylös ja alas, vaikka avaruus kuinka laajenisi.
Jos tunnetut fysiikan lait eivät tuota haluttua tulosta, niin voi keksiä uusia. Magneettikenttien esimerkiksi ei odottaisi vuorovaikuttavan inflatonin kanssa, koska inflatonilla ei ole sähkövarausta. Jos kuitenkin muuttaa fysiikan lakeja siten, että magneettikentät kytkeytyvät suoraan inflatoniin tarvitsematta sähkövarausta, niin inflatoni antaa niille lisäpotkua, ja niiden kvanttivärähtelyt muuttuvat siten, että ne voivat synnyttää havaitut magneettikentät – ehkä.
Tässäkin on ongelmansa. Yksi on se, että kvanttivärähtelyt eivät synnytä vain magneettikenttiä, vaan myös sähkökenttiä, ja niistä tulee helposti liian voimakkaita. Toinen ongelma on se, että kun inflatoni antaa pontta magneettikentille, ne helposti rupeavat vuorovaikuttamaan sähköisesti varattujen hiukkasten kanssa liian voimakkaasti, jolloin tapahtumien seuraaminen muuttuu hyvin hankalaksi.
Itse työstän yhteistyökumppanieni kanssa artikkelia, jossa luulimme hetken keksineemme tavan välttää yllämainitut ongelmat. Olemme kuitenkin päätyneet vain toteamaan, miten vaikeaa se on, ja kaventamaan entisestään ratkaisun mahdollisuuksia.
10 kommenttia “Voimalinjojen siemenet”
-
Voivatko ulottuvat magneettikentät johtua siitä, että kuitenkin aine ja antiaine vaihtelisivat vuorottain kaikkeuden rakenteissa?
-
Eusa:
Ei. Näkemämme rakenteet koostuvat aineesta, eivät antiaineesta. Jos osa niistä koostuisi antiaineesta, niin näkisimme gammasäteilyä sieltä, missä aine ja antiaine kohtaavat ja annihiloituvat.
(Vähän tällaista säteilyä nähdään paikoista, missä syntyy pieniä määriä antiainetta, kuten pulsarien läheisyydessä.)
-
http://arxiv.org/pdf/1603.01169v2.pdf
Lisääntyvissä määrin saadaan annihilaatioihin sopivia gammasäteilyhavaintoja, joiden alkuperä on arvailujen varassa. Vaikka INTEGRAL onkin herkempi kuin aiemmat ilmaisimet, sen herkkyys ei riitä havaitsemaan annihilaatiomerkkejä varhaisista galaksiytimistä suuremmalla kuin sigma 1 -tasolla, saati kvasaareista. Vaaditaan uuden sukupolven herkkyydeltään parannettujen soft-ray -spektrometrien ja millimetriluokan aaltojen VLBI-vastaanottimien tarkkuutta jotta päästään eroon merkittävistä rajoituksista positronisisällön tunnistamiseksi aktiivisten galaksiydinten suihkuissa (tai elektronisisältöä antigalakseissa).
Onhan oletettavaa, että meidän on tutkittava varhaista kaikkeutta, koska myöhemmät vaiheet olisivat ilmeisen luonnollisesti tasapainottaneet ratadynamiikat niin, että annihilaatioita tapahtuisi enää harvakseltaan.
Intergalaktisten magneettikenttien arvoitus on kyllä kaikkien tutkimuspanosten arvoista. Hienoa, että olette onnistuneet kaventamaan mahdollisuuksien kenttää.
-
Eusa:
Nuo ovat juuri sitä vähäistä säteilyä, johon yllä viittasin. Jos olisi olemassa (tai olisi näkyvässä maailmankaikkeudessa ollut olemassa) antiaineesta koostuvia rakenteita, niin gammasäteilyä tulisi valtavan paljon enemmän.
-
Kiitos vastauksista!
Voimakas aineen ja antiaineen keskittyminen ja vain vähäinen sekoittuminen voisivat selittää puuttuvaa gammasäteilyä, jos annihilaatioprosessit kuitenkin osoittautuvat sinänsä yleiseksi ilmiöksi – tai sitten pimeä aine on hiukkasia ja harrastaa annihiloitumista jollain tavoin peräti elektroni-positroni-taajuudella.
-
Eusa:
Ei voisi selittää. Jos antiainerakenteita olisi olemassa, niin näkyisi paljon havaittua enemmän gammasäteilyä.
Tämä riittäköön tästä.
-
-
-
Miguel sanoo:
Jäin miettimään tuota sanavalintaasi: ”Suurimmillaan ne olisivat sattumoisin yhtä vahvoja kuin ihmisen aivojen magneettikentät.”
Tarkoititko tuolla ”sattumoisin” jotain?
-
Miguel:
Sitä, että kyseessä on sattuma.
-
-
MV sanoo:
Terve, Syksy
Voisitko hieman selittaa mita tarkoitetaan tuolla magneettikenttien ”vuotamisella” tai ”valumisella” galakseista?
Terveisia kollegallesi Kimmo T:lle (vanha opiskelukaveri 😉
-
MV:
Galakseista virtaa ulos varattuja hiukkasia, esimerkiksi supernovaräjähdyksistä syntyvien tuulien myötä, ja nämä kuljettavat mukanaan magneettikenttää.
Vastaa
Kosminen mikroaaltotausta, inflaatio ja Higgsin kenttä
Puhun tiistaina 10.5. kello 17 aiheesta ”Kosminen mikroaaltotausta, inflaatio ja Higgsin kenttä”. Tiivistelmä on seuraava:
Kosminen mikroaaltotausta on maailmankaikkeuden vanhinta valoa. Se kantaa viestiä kosmisesta inflaatiosta, joka on maailmankaikkeuden ensimmäisen sekunnin aikana tapahtunut kiihtyvän laajenemisen vaihe, jossa kaiken rakenteen siemenet syntyivät. Helsingin yliopiston Planck-tutkimusryhmä on mukana tekemässä lopullista analyysiä Planck-satelliitin havainnoista kosmisesta mikroaaltotaustasta. Samaan aikaan teoreetikot laskevat, mitä kosmisessa mikroaaltotaustassa ja hiukkaskiihdyttimissä pitäisi näkyä, jos inflaatiosta on vastuussa Higgsin hiukkaseen liittyvä Higgsin kenttä.
Tilaisuudessa puhuvat ajankohtaisista tutkimusaiheista myös Markku Sipilä (ilmakehätieteet), Emilia Kilpua (avaruusfysiikka), Leena Järvi (ilmakehätieteet) ja Tomas Kohoult (geofysiikka). Esitykset ovat noin 15 minuutin mittaisia, ja niiden kuvauksen näkee tapahtuman sivulta. Siellä voi myös ilmoittautua tapahtumaan; viimeinen ilmoittautumispäivä on 5.5.. Tilaisuus on suunnattu erityisesti tiedetoimittajille, mutta se on avoin kaikille; tilaisuus on ilmainen.
Yksi kommentti “Kosminen mikroaaltotausta, inflaatio ja Higgsin kenttä”
Vastaa
Kvanttirikko
Mainitsin kolmisen vuotta sitten, että peliyhtiö Remedy oli konsultoinut minua peliinsä Quantum Break liittyen. Viime viikolla peli ilmestyi (traileri on tällainen), samoin kun siihen liittyvä Cam Rogersin kirja Quantum Break: Zero State.
Aikamatkustus ja ajan manipulointi on pelissä keskeistä, ja kirjoittajat halusivat perustaa fiktionsa faktoihin. Niinpä he pyysivät minut kertomaan ajan fysiikasta ja aikamatkustuksesta. (Pelin ohjaaja Sam Lake kommentoi aihetta vähän täällä.) Kerroin heille kahtalaisesta ymmärryksestämme ajasta, vähän samoin kuin mistä olen täällä kirjoittanut. Yleisen suhteellisuusteorian mukaan aika-avaruus on muuttumaton ja ajaton kokonaisuus. Toisaalta kvanttimekaniikan mukaan menneisyys on kiinnitetty, mutta tulevaisuutta ei ole määrätty, ja on olemassa erityinen tapahtumisen hetki.
Peli ei pyri olemaan tieteellisesti tarkka, mutta siinä on pidetty kiinni ajatuksesta, että menneisyyttä ei voi muuttaa. Minusta on myös hauskaa, että pelissä aikamatkustus toimii siten, että kierretään aikakonetta ympäri. Yleisen suhteellisuusteorian mukaan tarpeeksi nopeasti pyörivässä avaruudessa voi todella matkata ajassa taaksepäin, jos kulkee sopivassa paikassa oikeaan suuntaan. (Ei tiedetä, kuvaako tämä teorian piirre todellisuutta.)
Fysiikasta puhumisessa alan ulkopuolisille on se mukava puoli, että tulee katsoo tuttuja asioita uudesta näkökulmasta. Samasta syystä oli hauskaa tavata pelin kirjoittajia ja ideoida fysiikkaa sen kannalta, mikä toimii pelissä.
Pelin kirjoittajat myös halusivat Quantum Breakiin aikamatkustusta koskevan laskun, jossa on virhe, jonka eräs henkilöistä voi korjata. Yhtälön vilahdus pelissä näyttää tältä. Kyseessä on ihan oikea lasku, ja koska käytin hetken aikaa sen setvimiseen, päätin laittaa myös yleisen suhteellisuusteorian kurssin tehtäväksi. Tämä onkin ensimmäinen kerta, kun luennoimani kurssin laskuharjoituksissa on ollut aikamatkustukseen liittyvää tuotesijoittelua.
4 kommenttia “Kvanttirikko”
-
Nämä pelimiehet esittelivät vanhaa ideaa ajan kvantittumisesta eli chronokentistä ja chronopartikkeleista. Chrononistakin löytyy googlettamalla paljon. Ovatko mielestäsi chrononit toistaiseksi täydellistä toymodell tasoa?
“We had discussions and brainstorming sessions as well, around the Higgs field, the Higgs boson and how that relates to the idea of gravity; how, in theory, there could be a similar field and particle that is tied to time. From that we got our idea for chronofields and chronoparticles, which are based on the scientist in the story, called Meyer-Joyce fields and particles.”
https://en.wikipedia.org/wiki/Chronon
http://arxiv.org/abs/quant-ph/9706059
http://tao.cgu.org.tw/index.php?id=196
http://tao.cgu.org.tw/index.php?id=196 -
Lentotaidoton:
Peliin tarvittiin joku tapa pisteyttää sitä, miten paljon pelaaja voi manipuloida aikaa ja sille joku selitys pelin maailmassa.
Ehdotin, Roger Penrosen spekulaatioita tietoisuudesta mukaillen, että aivoissa on jokin elin, joka vastaanottaa ja varastoi tietynlaisia hiukkasia, ja näiden hiukkasten avulla voi manipuloida aikaa. En muista ideoinnin yksityiskohtia enää.
Oikean fysiikan kanssa tällä ajan manipuloimisosuudella ei ole juuri mitään tekemistä (toisin kuin aikakonemekanismilla).
-
Niin tarkoitit ilmeisesti näitä Penrosen mikroputkia:
http://www.science20.com/news_articles/quantum_vibrations_evidence_theory_consciousness-127866
http://www.kurzweilai.net/discovery-of-quantum-vibrations-in-microtubules-inside-brain-neurons-corroborates-controversial-20-year-old-theory-of-consciousness-
Niitäpä juuri.
-
Vastaa
Kauneudella Merkuriuksesta maailmankaikkeuteen
Matemaattisten aineiden opettajien liiton MAOLin lehdessä Dimensio 2/2016 on artikkelini ”Kauneudella Merkuriuksesta maailmankaikkeuteen: yleinen suhteellisuusteoria sata vuotta”. Se perustuu yleisen suhteellisuusteorian satavuotispäivänä 25.11. pitämääni esitykseen. Jutusta on MAOlin sivuilla maistiainen (pdf:n sivu 5).
Vastaa
Parinmuodostuksen päivitystä
Viime joulukuussa julkistetuissa LHC:n tuloksissa nähtiin kummajainen: niissä oli odotettua enemmän fotonipareja, joiden energia on noin 750 GeViä. GeV on energian yksikkö, joka vastaa suunnilleen yhtä protonin massaa. (Tarkemmin sanottuna yhden protonin massaan liittyvä energia on noin 0.938 GeViä.) Suoraviivaisin tulkinta on se, että protonien törmätessä kiihdyttimessä on syntynyt aiemmin tuntematon hiukkanen, joka sitten hajoaa fotoneiksi. Se olisi kaikkia tunnettuja hiukkasia raskaampi: toistaiseksi raskain tunnettu hiukkanen on top-kvarkki, jonka massa vastaa noin 170 GeVin energiaa.
Kumpikin LHC:n tällaisia signaaleja etsivistä koeryhmistä, ATLAS ja CMS, näkivät samanlaisen vihjeen, mikä tekee siitä luotettavamman. Toisaalta kummankaan ryhmän signaali ei erottunut kohinasta varmasti. Joulukuuhun mennessä koeryhmät eivät olleet vielä ehtineet käydä tarkkaan läpi kaikkea viime vuoden aikana kerättyä dataa huolella. Kahden viime viikon aikana pidetyssä Moriondin konferenssissa ne esittelivät tarkempaa analyysiä.
Ennen konferenssia liikkui huhuja, joiden mukaan signaali olisi noussut lähes löydön tasolle. ATLAS-koeryhmä ei kuitenkaan katsonut analyysin olevan niin valmis, että sitä voisi vielä kokonaisuudessaan julkaista, joten huhumylly jatkaa pyörimistään. Se sai kyllä Moriondissa lisää vettä siipiinsä. Sekin osa vuoden 2015 datan huolellisemmasta analyysistä, mikä tuotiin julki, osoitti, että kaksi 375 GeVin fotonia tuottavia törmäyksiä on datassa vielä enemmän suhteessa kohinaan kuin joulukuussa esitettiin. CMS tutki myös vuoden 2012 havaintoja 750 GeVin tienoilta, ja ne sopivat yhteen viimevuotisten havaintojen kanssa.
Jos kyse olisi kohinasta, niin olisi ollut todennäköisempää, että lisädatan myötä merkitys olisi pienentynyt. Se, että näin ei käynyt, ei kuitenkaan vielä riitä kertomaan, että kyseessä olisi signaali: tilastollinen merkitys ei vielä ole tarpeeksi iso.
Vaikka havaintojen tulkinnasta on jo kirjoitettu yli 200 tieteellistä julkaisua –pari-kolme ilmestyy joka päivä– ja signaali näyttää lupaavalta, monet ovat kuitenkin varuillaan. On helppo keksiä selitys kahdelle fotonille, mutta on vaikea ymmärtää, miksi havainnoissa ei näy mitään muuta uutta: miten uusi hiukkanen hajoaa enimmäkseen fotonipariksi, ja miksi uusia hiukkasia on vain yksi?
Teoreetikkojen hyllyllä valmiina olevat selitykset mihin tahansa hiukkaskiihdyttimissä näkyvään signaaliin (tai kohinaan) ovat supersymmetria, tekniväri ja ylimääräiset ulottuvuudet. Fotonisignaalin selittävä 750 GeVin hiukkanen ei kuitenkaan voi olla minkään tunnetun hiukkasen supersymmetrinen partneri, eikä havaittu fotonisignaali sovi suoraan supersymmetrian muottiin. Tekniväriteorioissa on aina kokonainen parvi uusia hiukkasia, joten pitäisi selittää, miksi niistä nähdään yksi melko selvästi, mutta ei vihiäkään muista; tähän tosin on konstinsa. Ylimääräisten ulottuvuuksien avulla voi selittää melkein mitä vain, mutta LHC-dataan sopivat mallit eivät vaikuta erityisen luonnollisilta – mikä on tietysti eri asia kuin se, että ne eivät voisi olla totta.
Jos kyseessä on uusi hiukkanen, se mullistaisi hiukkasfysiikan, joka on kauan kaivannut piristysruisketta yllättävistä löydöistä. Seuraavia analyysejä sopii odottaa julkiseksi kesäkuussa, ja viimeistään vuoden loppuun mennessä saataneen varmuus siitä, onko kyseessä löytö vai yksi monista vääristä vihjeistä siitä, mitä on Standardimallin tuolla puolen.
Syksy, oletko seurannut tuota berylliumanomalia-asiaa? Siitä on hiljattain ilmestynyt paperi http://arxiv.org/abs/1608.03591 jossa selitykseksi ehdotetaan uutta noin 17 MeV massaista vektoribosonia ja siihen kytkeytyviä uusia hiukkasia? Pystytkö kommentoimaan tuota paperia?
Pekka Janhunen;
En valitettavasti osaa kommentoida tuota.
Optisella mikroskoopilla ehdottomasti tärkein resoluution rajoitus on valon aallonpituus. Mutta yhtä sun toista näppärää on kuitenkin keksitty kaiken mahdollisen informaation saamiseksi aallonpituuden rajoissa, kuten esim. fluoresenssimikroskopia, konfokaalitekniikka, j.n.e.
Vastaavasti LHC:n tärkein parametri on siis hiukkasten energia, ja puhutaan jo LHC:n seuraajasta jolla olisi jokin suurempi hiukkassuihkun energia. Mutta onko ajateltavissa että jotain oikein merkittävää voidaan LHC:ltä saada parantamalla detektoriasemien (Alice, Atlas, …) tekniikkaa ?
Sunnuntaikosmologi:
En tunne detektorien yksityiskohtia, joten olen vähän huono tähän vastaamaan. Varmasti detektoreita parantamalla voi saada tarkempaa tietoa (esimerkiksi TOTEM-kokeella, joka mittaa hiukkasia, jotka liikkuvat hyvin lähellä hiukkasputken suuntaa).
Mutta merkittävimmät tekijät energian lisäksi ovat luminositeetti (eli törmäysten tahti) ja se, mitä hiukkasia törmäytetään. Protonien sisärakenteen takia niiden törmäykset ovat sotkuisia, elektroneja törmäyttämällä voi tehdä siistimpiä mittauksia ja nähdä yksityiskohtia, joita LHC ei näe, pienemmillä energioilla. Voi olla, että seuraava kiihdytin on siis elektroni-positroni -kiihdytin.
Vähän lisää eri kiihdytinvaihtoehdoista:
http://www.tiede.fi/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/sukupolvesta_toiseen
Ympyrämäisiä myonikiihdyttimiäkin on harkittu. Puusta katsoen luulisi ettei myonien tuottaminen olisi kovin paljon vaikeampaa kuin positronienkaan, joita jo LEP käytti. Onkohan ympyrämäisen myonikiihdyttimen pulmana hiukkasten lyhyehkö elinaika?
Pekka Janhunen:
En tunne myonikiihdytinten yksityiskohtia, joten tämä on vähän arvailua. Elinaika laboratoriokoordinaatistossa on paljon lepokoordinaatiston mikrosekuntia pidempi aikadilataation takia, joten en tiedä onko se ongelma. Mutta myonien isomman massan takia ne lähettävät paljon enemmän säteilyä niiden radan taipuessa ympyänmuotoisiksi, ja tämä voi olla rajoittava tekijä.
Syksy: Hetkinen, tarkoitit varmaan päinvastoin. Myoni on elektronia raskaampia joten se lähettää vähemmän synkrotronisäteilyä. Jos protoni on helppo kiihdytettävä (LHC) ja elektroni vaikea (LEP), niin myoni on siitä välistä mutta logaritmiskaalassa lähempänä protonia kuin elektronia.
Pekka Janhunen:
Aivan oikein! Siis myonit tuottavat enemmän jarrutussäteilyä kuin nykyiset protonikiihdyttimet (mutta vähemmän kuin vastaava elektroni-positroni -kiihdytin), koska myonien massa on pienempi.
Myonikiihdyttimissä tosin tulee lisäsäteilyongelma niiden hajoamisesta elektroneiksi ja neutriinoiksi, koska nautriinot matkaavat pitkälle, ja niiden energia ja lukumäärä olisivat isoja.
Räsänen: ”Elinaika laboratoriokoordinaatistossa on paljon lepokoordinaatiston mikrosekuntia pidempi aikadilataation takia, joten en tiedä onko se ongelma”.
Eli toisinpäin sanoen: protonit esim ”näkevät” 27 km LHC-lenkin muutaman metrin pituisina.