Kylmä jälki
Maailmanhistorian isoimman tieteellisen kokeen kolmas kausi on alkamassa. CERNin hiukkaskiihdyttimen Large Hadron Collider (LHC) suprajohtavat magneetit on jäähdytetty kahden kelvinin kylmyyteen, ja tänään, kolmen vuoden tauon jälkeen, on määrä laittaa hiukkassuihku taas kiertämään 27 kilometrin kehää sata metriä maan alla. Suihkut on tarkoitus ohjata törmäämään 10. toukokuuta, ja koedataa aletaan keräämään kesäkuussa.
Ensimmäisen kerran hiukkassäde kiersi LHC:n tunnelissa 10. syyskuuta 2008. Ei kestänyt kahta viikkoa, kun LHC jouduttiin sulkemaan, kun heikkolaatuinen magneetti ylikuumeni ja rikkoi säiliön, josta vapautui kuusi tonnia nestemäistä heliumia kiihdytintunneliin. Vian korjaamisen jälkeen kiihdytin käynnistettyä uudelleen noin vuoden kuluttua. Kokeita päästiin tekemään maaliskuussa 2010, vaikkakin vain puolella alun perin suunnitellusta törmäysenergiasta, jotta ongelma ei toistuisi.
4. heinäkuuta 2012 CERN julkisti LHC:n ensimmäisen löydön: koeryhmät ATLAS ja CMS olivat havainneet Higgsin hiukkasen. Tuon hiukkasen olemassaolon lähes 50 vuotta aiemmin selittäneet teoreetikot Peter Higgs ja François Englert palkittiin vuoden 2013 fysiikan Nobelilla, mutta sen löytäneet kokeelliset fyysikot sivuutettiin.
Higgs on toistaiseksi ollut myös LHC:n ainoa löytö – ainakin mitä tulee perustavanlaatuiseen fysiikkaan. Odotukset olivat suuret. 1970-luvulla kasaan saatuun hiukkasfysiikan Standardimalliin oli vuosikymmenten varrella rakenneltu useita laajennuksia. LHC:n kokeiden odotettiin erottelevan niiden välillä ja osoittavan uuden suunnan hiukkasfysiikassa. Toivotuin lahja oli supersymmetria, mutta myös ylimääräisillä ulottuvuuksilla ja teknivärillä oli kannattajansa. Jotkut jopa varautuivat siihen, että LHC:n törmäyksissä näkyisi niin paljon uusia ilmiöitä, että niitä olisi vaikea erottaa toisistaan.
LHC:n ensimmäinen kausi loppui helmikuussa 2013. Kahden vuoden päivittämisen ja parantelun jälkeen kiihdytin palasi kehään maaliskuussa 2015. Tekniikan puolesta toinen kausi sujui erinomaisesti. Törmäysten määrä saatiin kohotettua kaksinkertaiseksi alkuperäisiin suunnitelmiin verrattuna, vaikka energia jäikin yhä hieman suunniteltua alhaisemmaksi.
Sen sijaan fysiikkaan jouduttiin pettymään. LHC:n kokeet löysivät neljän ja viiden kvarkin sidottuja kimppuja (mikä on palauttanut mielenkiintoa heksakvarkkeihin, mahdollisiin kuuden kvarkin kimppuihin) ja tekivät tarkkoja mittauksia tunnettujen hiukkasten ominaisuuksista, mutta mitään perustavanlaatuista uutta ei näkynyt. Toista kautta kuvaa hyvin se, että eniten huomiota saanut tulos, joka poiki satoja tieteellisiä artikkeleita, osoittautui lopulta pelkäksi kohinaksi. Käteen jäi vain tiukempia rajoja: jos uusia hiukkasia on olemassa, niiden pitää olla yhä raskaampia tai heikommin vuorovaikuttavia, jotta niitä ei olisi havaittu.
Kun LHC aloittaa kolmannen kauden datan keräämisen kesäkuussa, on kulunut kymmenen vuotta Higgsin hiukkasen löytämisestä. Uuden fysiikan jäljet eivät enää tunnu lämpimältä. Jotkut ovat jopa puhuneet hiukkasfysiikan kuolemasta. Vaikka mahdollisesti uuteen fysiikkaan viittaavia merkkejä on eri kokeissa nähty, yksikään ei toistaiseksi ole varmistunut. Enemmän odotuksia kohdistuu tällä hetkellä astrofysiikan ja kosmologian kokeisiin, kuten joulukuussa alkavaan gravitaatioaaltokokeiden LIGO, Virgo ja KAGRA yhteiseen havaintojaksoon.
LHC on nyt tehokkaampi kone kuin koskaan ennen, ja kolmannen kauden odotetaan lähes kolminkertaistavan aiemmin kerätyn kokonaisdatamäärän. Lisäksi on viimein tarkoitus saavuttaa alkuperäinen maksimienergia. Myös ymmärrys laitteistosta ja data-analyysistä on kehittynyt, ja luvassa on monipuolisempia ja huolellisempia analyysejä kuin koskaan ennen. Ei ole mahdollista ennustaa, mistä uudet löydöt tulevat, ja jos LHC:n ulottuvilla on merkkejä tuntemattomasta, niiden havaitsemiseen on entistä paremmat mahdollisuudet.
Kolmas kausi jatkuu vuoden 2025 loppupuolelle, jonka jälkeen on luvassa kolmen vuoden tauko. Sen aikana on tarkoitus jälleenrakentaa LHC uudeksi kiihdyttimeksi nimeltä HL-LHC. HL-LHC:ssä on vahvemmat magneetit ja tehokkaampi jäähdytysjärjestelmä, jotta se pystyy törmäyttämään samassa ajassa kymmenen kertaa enemmän hiukkasia kuin LHC. Päätöksiä seuraavan sukupolven kiihdyttimistä ei ole vielä tehty, koska ei tiedetä olisiko niillä mitään löydettävää.
Päivitys (20/04/22): Aloitus viivästyi, suihkun on määrä käynnistyä perjantaina 22.4..
”Tuon hiukkasen olemassaolon lähes 50 vuotta aiemmin selittäneet teoreetikot Peter Higgs ja François Englert palkittiin vuoden 2013 fysiikan Nobelilla, mutta sen löytäneet kokeelliset fyysikot sivuutettiin.”
Oliko koko Nobelia välttämätöntä edes myöntää, sillä jo edesmennyt Philip Warren Anderson teorisoi kyseisen bosonin toimintatavan? Jotenkin kornia myöntää juhlavaa palkintoa haaskalinnuille. Ja haaskalinnuista puheenollen: miksi Andrea Ghezille piti myöntää palanen Nobelista, jos kerran Reinhard Genzel oli jo aiemmin havainnoinut Sagittarius A* -mustan aukon olemassaolon Linnunradan keskustassa? Tuolla logiikalla osuus Nobelista pitäisi myöntää myös havaitsemisen varmistuksen varmistukselle. Ehkäpä kyseessä oli jonkinlainen tasa-arvopalkinto.
Philip Anderson oli löytänyt samantyyppisen mekanismin kuin Higgs ja Englert, mutta eri yhteydessä. Kyse ei ollut hiukkasfysiikasta, eikä hänellä ollut Higgsin hiukkasta. Anderson kertoo oman näkemyksensä ideoiden kehityksestä tässä: https://www.nature.com/articles/nphys3247
Kaikki tiede rakentuu aiemmalle (tosin Higgs ja Brout eivät kaiketi tienneet Andersonin työstä).
Vuoden 2020 Nobel-palkinnon perusteluista voi lukea täältä: https://www.nobelprize.org/uploads/2020/10/advanced-physicsprize2020.pdf
Pidetään jatkossa kommentit asiallisina.
Jos hiukkasfysiikan mittaus viritetään etsimään täsmälleen sitä, minkä teoria ennustaa, miten sillä edes voitaisiin löytää mitään muuta?
Tämä ei ole pelkästään retorinen kysymys, eli annatko muutamia vastaesimerkkejä.
Jotkut mittaukset on säädetty tarkkaan etsimään tietynlaista signaalia, toiset ovat yleisempiä.
Ensinnäkin ne mittaukset, jotka etsivät tarkkaan jotain signaalia, voivat silti yllättää, koska samanlaisen signaalin voikin tuottaa jokin muu asia. Esimerkiksi koe Super-Kamiokande oli rakennettu etsimään protonin hajoamisesta syntyvää valoa, mutta havaitsikin valonvälähdyksiä, joiden avulla saatiin osoitettua että neutriinoilla on massa.
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/sekoittumista/
Toisekseen, on monia erilaisille tietylle signaalille suunnattuja mittauksia. LHC:n datasta tehdään satoja erilaisia tarkasteluja.
Kolmannekseen, usein mitataan ensisijaisesti poikkeamia odotetusta signaalista, ja vasta kun jotain nähdään, mietitään miten sen selittäisi.
Millä energiatasoilla ollaan seuraavissa LHC kokeissa? Uusia hiukkasia kaivataan selittämään ilmiöitä standarsimallin ulkopuolelta. W primen esiintyminen on nostettu yli 3Tev
Toisen kauden aikana energia per protoni saatiin nostettua arvoon 6.5 TeV (eli yhteensä 13 TeV), kesäkuussa se on tarkoitus nostaa arvoon 6.8 TeV ja myöhemmin arvoon 7 TeV.
Tätä ei voi suoraan verrata uuden hiukkasen massaan, koska kaikkea törmäysenergiaa ei saada käytettyä yhden uuden hiukkasen massaan, vaan raja massalle riippuu prosessin yksityiskohdista.
Lisäksi tärkeää ei ole vain energia, vaan myös se, kuinka usein törmäyksiä tapahtuu. Mitä useammin, sitä harvinaisempia prosesseja nähdään, ja sitä raskaampia hiukkasia voidaan nähdä. Vaikka säteen energia asettaakin ehdottoman rajan sille, miten raskaita hiukkasia voidaan tuottaa, hiukkasten epäsuora vaikutus voidaan nähdä kokeissa vaikka energia ei riittäisikään niiden tuottamiseen.
Mahtaakohan olla olemassa mitään (toistaiseksi tuntematonta) periaatetta, jolla voitaisiin ennustaa uusien alkeishiukkasten ominaisuuksia ja sitä kautta luoda analogia Mendelejevin ennustamalle atomien jaksolliselle järjestelmälle? Jos siis lyötäisiin tarpeeksi energiaa peliin, niin kvanttimenttien musikaalista aina löytyisi uusia ja ihmeellisiä alkeishiukkasia, ad infinitum. Eikö ainakin säieteorian mukaan erilaisia värähtelymoodeja voi periaatteessa olla äärettömästi ja sama voisi ilmetä realistisissakin malleissa? Vai olisivatko uudet alkeishiukkaset kuin matematiikan alkuluvut, joiden tarkkaa sijaintia ei voida ennustaa.
Erilaisissa hiukkasfysiikan malleissa on erilaisia sääntöjä sille, millaisia hiukkasia on olemassa. Yleensä säännöt kuitenkin vain rajoittavat sitä, millaisia hiukkasia on olemassa, eivät määrää sitä. Eli kaikkia mahdollisia hiukkasia ei ole olemassa, ja yleensä hiukkasia on vain äärellinen määrä. Mutta on mahdollista sekin, että niitä olisi äärettömästi.
Myös Standardimallissa on tiukat säännöt sille, millaisia hiukkasia voi olla olemassa, ja niistä vain yksinkertaisimpia hiukkasia todella on.
Voidaanko äskettäistä havaintoa siitä, että W-bosonin massa eroaa standardimallin ennustamasta, pitää mullistavana, vai onko sen merkitystä liioiteltu uutisoinnissa?
Jos se pitää paikkansa, se on mullistava. Toistaiseksi ei ole selvää, pitääkö se paikkansa.
Aiheen asiantuntija Tommaso Dorigo kommentoi: https://www.science20.com/tommaso_dorigo/is_the_cdf_w_mass_measurement_a_nail_in_the_sm_coffin-256017
Kiitos vastauksesta! Sain (vaivoin!) sen verran irti tuosta, että ymmärsin mittaukseen liittyvän moninaisia ja monimutkaisia epävarmuustekijöitä, jotka tunnetaan huonosti. Epäselväksi jäi, miten tulos nyt voitaisiin osoittaa oikeaksi tai vääräksi. Kaiketi samaa miettii nyt melkoinen joukko hiukkasfyysikoita jossain.
Avainasemassa ovat koeryhmät ATLAS ja CMS. Dorigo kirjoittaa:
”the CDF measurement is slamming a glove of challenge on ATLAS and CMS faces. Why, they are sitting on over 20 times as much data as CDF was able to analyze, and have detectors built with a technology that is 20 years more advanced than that of CDF – and their W mass measurements are either over two times less precise (!!, the case of ATLAS), or still missing in action (CMS)? I can’t tell for sure, but I bet there are heated discussions going on at the upper floors of those experiments as we speak, because this is too big a spoonful of humble pie to take on.”