Katulampun henki
Syyskuun alussa Rebeca Gonzalez Suarez Uppsalan yliopistosta puhui Helsingin yliopiston kosmologiaseminaarissa pimeästä aineesta ja kokeellisen hiukkasfysiikan tulevaisuudesta.
CERNin hiukkaskiihdytin LHC käynnistyi vuonna 2008, mutta pian sattuneen onnettomuuden takia se pääsi keräämään dataa vasta vuonna 2010. Meneillään oleva kolmas havaintokausi on nykyisen laitteen viimeinen. Kun se loppuu vuonna 2025, LHC päivitetään uudeksi kiihdyttimeksi nimeltä HL-LHC. Lyhenne HL tulee sanoista high luminosity, iso kirkkaus. Sanayhdistelmä viittaa siihen, että uudessa laitteessa hiukkaskimput törmäävät entistä tiheämpään tahtiin.
Hiukkasen löytämiseksi pitää ylittää kaksi kynnystä. Mitä isompi on hiukkasen massa, sitä enemmän energiaa sen tuottamiseen tarvitaan. Mitä heikommin hiukkanen vuorovaikuttaa, sitä harvemmin se syntyy törmäyksissä.
Usein korostetaan sitä, että LHC pääsee aiempia kiihdyttimiä korkeampiin energioihin. Tärkeää on kuitenkin myös se, että LHC tekee törmäyksiä paljon aiempaa tiuhemmin, noin miljardi kertaa sekunnissa. LHC:n kanssa kilpailleen Tevatron-kiihdyttimen energia riitti Higgsin hiukkasen tuottamiseen. Törmäyksiä sekunnissa tapahtui kuitenkin sata kertaa vähemmän, joten Tevatron ei synnyttänyt tarpeeksi Higgsin hiukkasia, että niitä olisi havaittu, ja LHC vei voiton. (Myös LHC:n korkeampi energia lisäsi Higgsin hiukkasten määrää.)
HL-LHC-kiihdyttimen suunnitellaan uusia koelaitteita, kuten SHiP, jonka kohteena ovat hyvin heikosti vuorovaikuttavat hiukkaset. Tunnetuin esimerkki on oikeakätiset neutriinot, jotka ovat oma suosikkini pimeän aineen hiukkaseksi.
Mitä tiheämpään törmäyksiä tapahtuu, sitä sotkuisempaa on niiden analysoiminen. Yksi ongelma on se, että valonnopeus on niin pieni.
Lähes valonnopeudella kulkeva hiukkanen ehtii sekunnin miljardisosassa matkata noin 30 cm. Niinpä yhden törmäyksen tuotokset eivät ehdi poistua kerrostalojen kokoisista havaintolaitteista ennen kuin seuraavat kiitävät sisään. Ongelmaa lieventää se, että kaikkien törmäysten dataa ei oteta talteen. Laitteet eivät ehtisi tallentaa miljardia megatavua sekunnissa, eikä missään olisi tarpeeksi tilaa tällaisen datamääräin säilyttämiseen. Lisäksi suurimmassa osassa törmäyksistä ei tapahdu mitään kiinnostavaa. Törmäysten erottaminen toisistaan vaatii silti paljon työtä, ja HL-LHC:ssä tilanne on vielä vaikeampi.
HL-LHC:n on määrä aloittaa toiminta vuonna 2029, ja aikataulu on valmiina vuoteen 2041 asti kuukauden tarkkuudella. Pitkään hiukkasfysiikassa on vallinnut epävarmuus siitä, mitä tulee sen jälkeen. Nyt tilanne on selkiytynyt, ja kärkiehdokkaaksi on noussut Future Circular Collider (FCC). CERNin johtaja Fabiola Gianotti sanoi kesäkuussa, että FCC on paras vaihtoehto CERNin tulevaisuudelle. Gonzales Suarez lohkaisi, että sitten kun kiihdytin ei ole enää tulevaisuutta vaan nykyaikaa, sana Future pitää vaihtaa, kenties sanaksi Fabiola.
FCC:n tunnelista tulee 91 km pituinen, ja se kulkee jopa 400 metrin syvyydessä Geneven ja Ranskan maaperässä. LHC:n kehä on 27 km pitkä ja sata metriä maan alla. Ensimmäisessä vaiheessa tunneliin rakennetaan elektroneja ja positroneja törmäyttävä kiihdytin FCC-ee.
Nykyinen LHC törmäyttää protoneita ja raskaampia ytimiä. Koska ne eivät ole alkeishiukkasia, törmäykset ovat monimutkaisia, ja niitä analysoidessa pitää ottaa huomioon mitä ytimien sisällä tapahtuu. Elektroneilla ja niiden antihiukkasilla positroneilla ei sen sijaan ole alirakennetta. Niinpä FCC-ee:n jälkiä on helpompi tulkita, mikä onkin tarpeen, kun törmäysten tahti kasvaa.
Nurja puoli on se, että koska elektroni on noin 2000 kertaa kevyempi kuin protoni, törmäysten energia on pienempi. Karkeasti jaoteltuna protonikiihdyttimet ovat korkeamman energian takia parempia uusien hiukkasten löytämiseen, elektronikiihdyttimet taas tarkkojen mittausten tekemiseen mahdollisten poikkeamien löytämiseksi.
Yksi FCC-ee:n tärkeä tavoite on Higgsin hiukkasen ominaisuuksien tarkka mittaaminen. Erityisesti kiinnostaa se, kuinka usein Higgs hajoaa minkäkinlaisiksi hiukkasiksi. Tämä kertoo sen, miten vahvasti Higgs kytkeytyy eri hiukkaslajeihin. Lisäksi jos on olemassa tuntemattomia hiukkasia, joihin Higgs hajoaa, ne voisi havaita epäsuorasti siten, että Higgs hajoaa tunnetuiksi hiukkasiksi hieman odotettua harvemmin.
Toisessa vaiheessa FCC-ee korvataan kiihdyttimellä FCC-hh, joka törmäyttää protoneita ja raskaampia ytimiä. Sen törmäysenergian on määrä olla ainakin kahdeksan kertaa LHC:n nykyisen energian suuruinen.
Suunnitelma noudattaa tuttua kaavaa. Ennen LHC:tä nykyisessä tunnelissa oli elektroneita ja positroneita kiihdyttänyt LEP ja sen seuraaja LEP2. LEP ja LEP2 olivat teknisesti erittäin onnistuneita kiihdyttimiä, jotka tekivät tarkkoja mittauksia, mutta eivät löytäneet uusia hiukkasia. Kilpailija Tevatron ehti nappaamaan top-kvarkin ennen niitä, eikä LEP yltänyt Higgsin hiukkaseen.
Kun LHC käynnistyi, tilanne oli ihanteellinen. Oli varmaa että löytyy joko Higgsin hiukkanen tai jotain vielä kiinnostavampaa, ja Tevatronin sulkeuduttua 2011 LHC oli yksin kentällä. LHC löysi Higgsin, hiukkasfysiikan Standardimallin viimeisen palan vuonna 2012, mutta muuta uutta perustavanlaatuista fysiikkaa ei ole näkynyt.
FCC:n tilanne on toinen. Hiukkasfysiikka on kriisissä, koska mitään odotetuista Standardimallin laajennuksista, kuten supersymmetria, tekniväri, tai ylimääräiset ulottuvuudet, ei ole löytynyt. Uudet kiihdyttimet menevät uusille seuduille, joita kukaan ei ole ennen luodannut, mutta ei ole enää vankkaa syytä odottaa, että niillä on mitään löydettävää.
Tämä saattaa olla yksi syy siihen, että CERN haluaa HL-LHC:n seuraajiksi FCC-ee:n ja FCC-hh:n. Ne ovat isompia versioita siitä, mitä on tehty jo aiemmin. Tarvittava teknologia on olemassa, ja FCC-ee tarjoaa halvan reitin FCC-hh:hen koska ne käyttävät samaa tunnelia.
Aikajänne on pitkä. Tunneli ja FCC-ee olisi tarkoitus rakentaa vuosina 2033-45, ja FCC-ee jatkaisi toimintaansa vuoteen 2068 asti. FCC-hh rakennettaisiin vuosina 2058-70, ja toimisi vuoteen 2095 asti. On vaikea uskoa, että nykyään tunnettu teknologia olisi paras ratkaisu enää 70 vuoden kuluttua, vaikka suunnitelmia voi toki päivittää.
Gonzales Suarez on CERNin ATLAS-koeryhmän nykyinen ja CMS-ryhmän entinen jäsen, ja hän esitti tulevaisuuden CERNin näkökulmasta. Muitakin kiihdyttimiä on vireillä, Japanissa ILC (International Linear Collider) ja Kiinassa CPEC (Circular Electron-Positron Collider). On myös ideoita uudenlaisista kiihdyttimistä, kuten sellaisesta joka törmäyttäisi myoneja, jotka ovat elektroneja raskaampia alkeishiukkasia.
Mitään HL-LHC:n jälkeistä ei ole vielä päätetty, mutta CERNin suunnitelmat ovat pisimmällä ja siellä ovat myös parhaat asiantuntijat. Yksi syy päivittää nykyinen kiihdytin HL-LHC:ksi ja edetä varovasti FCC:hen onkin tarve pitää nykyiset kiihdytintuntijat mukana pelissä. Jos ei ole kiihdytintä työn alla, monet heistä siirtyvät akateemisen hiekkalaatikon ulkopuolelle. Sen jälkeen kun erikoistunut tietotaito on menetetty, sen oppiminen uudelleen voi kestää kauan. Suunnitelmissa näkyy myös se, että asiaa katsotaan sen kannalta, mikä on parhaaksi CERNille, sen sijaan että arvioitaisiin mitä teorian perusteella kannattaa tutkia.
Teoreettiset fyysikot viittaavat usein tarinaan miehestä, joka etsii avaimiaan katulampun alta vaikka hän hukkasi ne muualle, koska se on ainoa paikka missä ei ole pimeää. Tämä on leikillinen tapa tuoda esille sitä, että ratkoo sellaisia ongelmia mihin pystyy, ei välttämättä niitä jotka olisivat tärkeimpiä. Ehkäpä kertomus valaisee fysiikan kokeellistakin puolta.
Mainitsit steriilin neutronin. Onko muita potentiaalisia hiukkasia joita voisi löytyä tällä vuosisadalla? Esim jotain kvarkkien ja leptonien välisestä vuorovaikutuksesta ?
Vaikka kuinka. Ks. esim.
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/tonni-tankissa
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/raapimisjalkia-haudassa/
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/pimea-sydan/
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/totalitaristinen-periaate-ja-vanhan-ajan-romantiikka/
Käsittääkseni osa fyysikoista on ollut kriittisiä sen suhteen mitä voidaan realistisesti odottaa entistä suuremmilta kiihdyttimiltä ja onko odotusarvo siihen käytettävien resurssien arvoista, vai saisiko samalla panostuksella enemmän aikaan muualla.
Esimerkiksi Hartsfield (https://futurism.com/the-byte/physicist-not-another-collider) tai Hossenfelder (https://backreaction.blogspot.com/2019/06/no-next-larger-particle-collider-will.html) ovat kirjoittaneet tähän tapaan:
”Hartsfield argues that massive particle accelerators simply aren’t worth the colossal amounts of money and effort — and that the funds should be spent elsewhere.”
Tieteen rahoitus ei ole koskaan ihan niin yksinkertaista nollasummapeliä, että saman budjetin voisi ohjata vain toisaalle, mutta mikä on sinun näkemyksesti tästä kritiikistä?
Mielestäni HL-LHC on hyvin perusteltu projekti. Sen seuraajista on vaikeampi sanoa, siksi CERNkin varmaan etenee vaihe vaiheelta. Kysymys on tosiaan myös siitä, mitä rahoitukselle tapahtuu, jos sitä ei käytetä kiihdyttimien rakentamiseen. En tunne rahoituskuvioita juurikaan, mutta olen usein kuullut sanottavan, että silloin raha ei mene muuhun tieteeseen.
Onko noissa kokeissa kyse mahdollisimman suuren energiatiheyden loihtimisesta vai mikä on homman juju? Voisiko esim. kylmää fullereenipalloa ampua vastakkaisilla kuolemansädepulsseilla ja löytää jotain uutta?
Kokeissa pyritään saamaan aikaan mahdollisimman iso törmäysenergia tai mahdollisimman monta törmäystä halutulla energialla tai molemmat. Tämä tehdään kiihdyttämällä hiukkaset mahdollisimman lähelle valonnopeutta.
Räsänen: ”LHC:n kanssa kilpailleen Tevatron-kiihdyttimen energia riitti Higgsin hiukkasen tuottamiseen. Törmäyksiä sekunnissa tapahtui kuitenkin sata kertaa vähemmän, joten Tevatron ei synnyttänyt tarpeeksi Higgsin hiukkasia, että niitä olisi havaittu, ja LHC vei voiton.”
Tämähän oli sitä viime metreille käytyä jännittävää ja kiivasta kilpajuoksua Jenkkien itsenäisyyspäivään 2012 saakka (Eurooppalaisten päivämääränäpäytys). Tevatron oli saanut jatkoaikaa ja rutkasti dollareita. Ilmeisesti Tevatron pääsi lopulta 10 vuoden yrittämällä 2,9 sigmaan. Mutta se ei alkuunkaan riittänyt vaikka ilmeisesti Higgsejä oli synnytetty kosolti. Jenkkien päähajoamiskanava oli bottom-kvarkeiksi (60% hajoamisista). Tämä hajoamiskanava oli kvanttimekaanisesti sotkuinen (ja siksi taustameluineen vaikea) kun Eurooppalaisilla se oli kahdeksi fotoniksi (vain 0,2% mutta selkeä). Toki Tevatronikin ennusti Higgsin massan 115 ja 135 GeV välille.
Tulee mieleen Jenkkien Superconducting SuperCollider 1990-luvun alusta. Tämä olisi ollut pituudeltaan sama kuin FCC (mutta toki energialtaan pienempi, 20 TeV kontra 100 TeV). Riidellen pieleen meni se projekti, jolla Jenkit todennököisesti olisivat löytäneet Higgsin bosonin (Ledermanin the God-particle!!!).
Its planned ring circumference was 87.1 kilometers (54.1 mi) with an energy of 20 TeV per proton and was designed to be the world’s largest and most energetic particle accelerator. – After 22.5 km (14 mi) of tunnel had been bored and about US$2 billion spent, the project was cancelled by the US Congress in 1993. https://en.wikipedia.org/wiki/Superconducting_Super_Collider
https://www.theguardian.com/science/2023/oct/02/jumbos-jupiter-mass-binary-objects-discovery-orion-nebula-new-astronomical-category
Primordiaalisten mustien aukkojen roolia pidettiin varteenotettavana kykenemään selittämään pimeän aineen halojen gravitaatiolinssien piirteitä. Voisiko tuollaisten irrallisten massiivisten pienten planeettaryhmien yhdessä muodostamaa kokonaisuutta pitää piilossa pysyneenä selityskandidaattina? JWST erottelukyvyllään tuo niitä ainakin joitain esiin. Havaintolaitteista puheen ollen, olisiko eLisa -järjestelmällä erotettavissa noiden, jos runsaina esiintyminä, tuottaman gravitaatioaaltotaustan tunnistettavaa kohinaa?; kiertoratalampun henki…
Ei. Pimeä aine ei voi koostua atomiytimistä ja elektroneista (eli tavallisesta aineesta). Sekä kevyiden alkuaineiden muodostumisesta ensimmäisen puolen tunnin aikana että kosmisesta mikroaaltotaustasta tiedetään, paljonko tavallista ainetta on, ja sitä on aivan liian vähän.
”Kysymys on tosiaan myös siitä, mitä rahoitukselle tapahtuu, jos sitä ei käytetä kiihdyttimien rakentamiseen.”
Olisi toivottavaa, että rahaa tieteelle sotimisen asemasta löytyisi. Niillä resursseilla, mitä Ukrainassa ja Palestiinassa tuhlataan, saataisiin valtava kiihdytin koko ihmiskunnan palvelukseen!
Nimityksistä: voi olla saivartelua, mutta kysynpähän: Miksi tällaiset lyhenteet? FCC-ee törmäyttää elektroneja ja positroneja. Eikö nimen pitäisi olla FCC-e+e? (FCC-e+p olisi harhaanjohtava koska p voitaisiin käsittää myös protoniksi)
Samoin FCC-hh (törmäyttää hadroneita=protoneita ja raskaampia ytimiä), miksi ei FCC-h+h?
Ja viimeinen FCC-eh, miksi ei FCC-e+h?
Voi olla (suuri vaara) että suuri yleisö olettaisi esim., että FCC-ee tarkoittaa elektroni vastaan elektroni.
Eikö eroa ole kieliopissa näillä: FCC-ee ja FCC (välilyönti) –ee? Voi olla, että olen väärässä.
Lyhenteet pyritään varmaan pitämään lyhyinä ja selkeinä.
Kiitos taas mielenkiintoisesta kirjoituksesta!
Mitä jos likimain valonnopeutta kulkeviin massahiukkasiin (esim. elektroni tai protoni) kohdistettaisiin mahdollisimman korkeaenergisiä (mitä teknisesti pystytään tuottamaan suurissa määrin) fotoneita vastakkaisesta suunnasta?
Hiukkasen suuri nopeus kasvattaisi fotonin energiaa eli lyhentäisi aallonpituutta merkittävästi. Olisiko tällainen koejärjestely
a) teoreettisesti mahdollinen, ja
b) teknisesti järkevä (eli olisiko mahdollista saada riittävästi törmäyksiä, jotta tulee tarpeeksi paljon dataa)?
Ongelmana on se, että pitäisi rakentaa kaksi eri kiihdytintä, joista toinen kiihdyttää elektroneita/protoneita ja toinen fotoneita. On kyllä harkittu kiihdyttimiä, missä tormäytetään fotoneita toisiinsa. Matalaenergiset fotonit vuorovaikuttavat heikosti keskenään, mutta korkeaenergiset fotonit vuorovaikuttavat vahvasti. En tunne näiden suunnitelmien yksityiskohtia.
Jos jokin hiukkaskoe ”hukkaisi” energiaa, niin voisiko sellainen olla viittaus pimeään ainekseen? Jos esim. syntyisi neutraaleita elektroneja (nelektroneja?), niin saisiko niitä millään nykyisenkaltaisella havaintolaitteella haaviin? Voisi myös aprikoida, että alkuräjähdyksen yhteydessä on muodostunut enemmän neutraalia ainetta kuin varauksellista, jo ihan siitä syystä, että varaus on hiukkasen kompleksisuutta kasvattava ominaisuus.
Kyllä, puuttuva energia on tyypillinen signaali pimeälle aineelle hiukkaskiihdyttimissä. Kokeissa on jo nyt puuttuvaa energiaa neutriinojen takia: niitä syntyy törmäyksissä, mutta ne vuorovaikuttavat niin heikosti, että niitä ei näy havaintolaitteissa.
Voisiko tunnetuista kvarkeista kokata uudenlaista neutronia, joka ei tunne vahvaa vuorovaikutusta? Onko ylipäätään mahdollista, että pimeä aine muodostuisi jollakin tavalla Standardimallin hiukkasista? Alkuräjähdyksen energiahan mahdollistaa kaikenlaisten orkestereiden kokoonpanon, ja voisihan jokin neutraali bändi olla niin syvässä potentiaalikuopassa, ettei se lähde yhteiskiertueille toisten kanssa.
Koska kvarkit tuntevat vahvan vuorovaikutuksen, myös kaikki niistä rakentuvat hiukkaset kokevat vahvan vuorovaikutuksen.
On ehdotettu, että pimeä aineeen hiukkast olisivat kuuden kvarkin kokoelmia, jotka ovat hyvin tiukasti sidottuja. Vaikuttaa kuitenkin siltä, että tällainen kokoelma ei ole tiukasti sidottu, vaan hajoaa nopeasti. Aiheesta lisää:
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/kuusikon-uudet-seikkailut/