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.
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.
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.