Monta roolia avoinna
Tällä viikolla Helsingin
yliopiston fysiikan osastolla oli Higgsin
kenttään keskittyvä pieni konferenssi NonMinimalHiggs. Ohjelmassa
oli teoreettisia pohdintoja, kokeita lähellä olevien mallien rakentamista ja havaintojen
analysointia. Higgs nivookin yhteen useita hiukkasfysiikan ja kosmologian isoja
kysymyksiä.
Higgsin kentän
tunnetuin rooli lienee se, että se antaa massan kaikille tunnetuille
hiukkasille (paitsi ehkä
neutriinoille).
Kun Higgsin hiukkanen (joka on kentän tihentymä)
saatiin vuonna 2012 pitkän jahdin jälkeen kiinni, massojen
mekanismista annettiin seuraavana vuonna Nobelin
palkinto. Tämä oli kuitenkin vain välietappi, tutkimusmatka jatkuu.
Se, että hiukkasfysiikan Standardimallin
hiukkaset vuorovaikuttavat Higgsin kentän kanssa, ja Higgsin kenttiä on vain
yksi, on yksinkertaisin tapa antaa hiukkasille massa. Ennen Higgsin löytämistä
oli pitkään tutkittu vaihtoehtoja, missä Higgsin kenttiä on useampia, niin että
hiukkaset saavat massansa eri kentiltä. Näin käy esimerkiksi supersymmetrisissä
malleissa. Toisaalta oli ehdotettu, että ehkä Higgs ei ole alkeishiukkanen, vaan
koostuu
muista hiukkasista, kuten protoni koostuu kvarkeista.
Tällaisia ideoita tutkitaan vieläkin tarkasti, ja konferenssissa käytiin läpi
useita eri mahdollisuuksia. Niin teoriapuolen pohdinnat ja tarkasteluihin
käytetyt ohjelmistopakkaukset kuin datatuotteet ja analyysin menetelmät ovat vuosien
aikana hioutuneet tarkoiksi, mutta toistaiseksi vuosikymmenten työn tulos
helppo tiivistää: mitään poikkeamia Standardimallista ei ole löytynyt.
Yksi ajankohtainen keskustelunaihe on se, millainen on seuraava
hiukkaskiihdytin, joka porautuu Higgsin löytänyttä LHC:tä
syvemmälle, minne se rakennetaan, millä aikataululla ja kenen rahoilla. Konferenssissa
esiteltiin sitä, miten eri kiihdyttimet luotaisivat Higgsin ja muiden
hiukkasten eri ominaisuuksia. Yhtenä perusteluna seuraavan sukupolven kiihdyttimille
esitettiin, että ne pystyvät luotaamaan Standardimallia prosentin tarkkuudella,
minkä suuruisia poikkeamia Standardimallista nykyiset mallit juuri ennustavat.
Perustelussa näkyy asialle omistautuneiden asiantuntijoiden näkökulmaharha:
nykyiset mallit ennustavat prosentin suuruisia poikkeamia vain siksi, että
isommat olisi jo nähty LHC:ssä. Vastaavasti edellisen sukupolven mallit ennustivat
juuri sen suuruisia poikkeamia, mitä edelliset kiihdyttimet eivät olisi nähneet,
mutta jotka olivat LHC:n ulottuvilla.
Oli erinomaisen perusteltua odottaa, että LHC löytää Higgsin hiukkasen (tai
jotain eksoottisempaa), mutta sitä pidemmälle ei ole takeita. Nyt liikutaan avomerellä
vailla tietoa siitä, koska maata löytyy, mutta on tietysti lohdullista
ajatella, että huomenna horisontissa kajastaa uusi maailma. Tämä ei tarkoita
sitä, etteikö kiihdyttimiä kannattaisi rakentaa: tuntemattomilla vesillä voi tehdä
odottamattomia löytöjä, mutta on syytä olla rehellinen ehdotusten perusteista.
Tässäkin konferenssissa näkyi se trendi, että kaiken teoriasta ja huipulta
alas rakennetuista yhtenäisteorioista puhutaan entistä vähemmän. Enemmän
keskitytään rakentamaan tunnetulta pohjalta
ylöspäin, ja katsomaan mitä tunnettujen asioiden läheisyydestä voisi löytyä.
Toinen selvä trendi on kosmologian nousu. Higgs voi
olla
vastuussa
kosmisesta
inflaatiosta,
joka synnytti galaksien ja kaiken muun rakenteen siemenet. Vaikka näin ei
olisi, Higgsin käytökseen varhaisessa maailmankaikkeudessa liittyy kiinnostavia
kysymyksiä, kuten se, onko
tyhjä avaruus vakaa vai voiko maailmankaikkeus tuhoutua noin vain.
Higgsiin liittyvän kosmologian tutkiminen on hyvä esimerkki siitä, miten ideat kulkeutuvat
fysiikan alueilta toisille ja pölyttävät tutkijoita. Monia Higgsin kosmologiaan
liittyviä aiheita ruvettiin tutkimaan vasta 2000-luvulla Higgsin hiukkaskiihdytintutkimuksen
kehityksen myötä. Kyse ei niinkään ole siitä, että kiihdyttimet olisivat
kertoneet tärkeää uutta tietoa: sitäkin oli, mutta enimmäkseen kaikki
tarpeellinen tiedettiin jo 1980-luvulla. Tärkeämpää oli se, että kun Higgsistä puhuttiin
ja vaihdettiin ideoita, niin siihen liittyviä kysymyksiä tultiin miettineeksi
tarkemmin.
Yksi kosmologinen aihe, jota on tutkittu jo pitkään, on se, meneekö
aineen ja antiaineen välisen epäsymmetrian alkuperä sekin Higgsin piikkiin.
Kirjoitan tästä kiehtovasta mahdollisuudesta ehkä myöhemmin tarkemmin, tässä
vain pikainen katsaus. Muinaisina aikoina Higgsin kentällä ei ollut erityistä
suuntaa: kuten nestemäinen vesi, se oli samanlainen kaikissa suunnissa. Kun
maailmankaikkeus oli sekunnin miljardisosan ikäinen, lämpötila laski niin
alhaiseksi (miljoona miljardia astetta), että Higgsin kenttä jäätyi
tiettyyn asentoon. Jäätyminen alkaa eri paikoissa eri aikaan, joten jäätyneet
alueet muodostavat kuplia, jotka hiljalleen täyttävät koko avaruuden. Jos tämä
tapahtuu tarpeeksi äkillisesti ja väkivaltaisesti, niin tapahtumassa saattaa
syntyä enemmän hiukkasia kuin antihiukkasia. Kuplien törmätessä voi myös syntyä
gravitaatioaaltoja,
jotka taivaalle 2030-luvulla nouseva LISA-satelliitti
voisi havaita.
Standardimallisssa Higgs kuitenkin jäätyy leppoisasti, niin että ei synny merkittävissä
määrin antimaterian ja materian epäsuhtaa eikä gravitaatioaaltoja. Monissa
Standardimallin laajennuksissa on toisin, ja asiaa voi ajatella myös niin, että
jos LISA näkee tällaisia gravitaatioaaltoja, tämä olisi selvä merkki uudesta
fysiikasta. Onkin kiinnostavaa, miten erilaisin tavoin hiukkasfysiikkaa nykyään
luodataan: taivaalla kulkevat aika-avaruuden häiriöt voivat kertoa samasta
asiasta kuin maanalaisten kiihdytinten törmäyksissä syntyvät hiukkaset.
”Oli erinomaisen perusteltua odottaa, että LHC löytää Higgsin hiukkasen (tai jotain eksoottisempaa), mutta sitä pidemmälle ei ole takeita. Nyt liikutaan avomerellä vailla tietoa siitä, koska maata löytyy, mutta on tietysti lohdullista ajatella, että huomenna horisontissa kajastaa uusi maailma.”
Taas mielenkiintoinen kirjoitelma. LHC oli varta vasten rakennettu (etenkin kun Tevatron epäonnistui) etsimään ja löytämään Higgsin bosoni. Kun kirjoitit, että nyt ”piireissä” liikutaan mieluusti alhaalta ylös, niin kysymys kuuluu: ei siis ole mitään erityistä teoreettista ”jahdattavaa” – vai voisiko tällainen olla kuitenkin supersymmetria (ja sen kevein hajoamaton hiukkanen)?
Sitten Higgs ja tyhjö. Kirjoitit aiemmin että tyhjön vakaus liittyy monimutkaisesti Top-kvarkin massan teoriaan. Ymmärrän että tässä yhteydessä ehkä liian ”monimutkainen” selvitettäväksi, mutta voisitko mahdollisesti tulevaisuudessa kirjoittaa aiheesta laajemmin?
Higgsin kentän jäätyminen tiettyyn arvoon. Perustunee siihen, että kenttä on ilmeisesti inflaation kuluessa viuhtonut ON/OFF useitakin kertoja, mutta löytänyt jossain vaiheessa nykyisen miniminsä. Paitsi raju jäätyminen (246 GeV:ssä) ja mahdollinen aine/antiaine epäsuhta siinä rytäkässä, niin asia liittyy läheisesti yo. tyhjön vakauteen (eli siihen elämmekö väärässä tyhjössä).
Kaiken kaikkiaan kiintoisa pakkaus tuo Higgs. Ehkä jo HL-LHC tuo asiaan lisävaloa.
En tarkoita, että ei olisi jahdattavaa, vaan että ei ole mitään vankkaa syytä odottaa, että se on seuraaviem kiihdytinten ulottuvissa.
LHC:n energioilla Standardimalli ilman Higgsiä ei enää ole matemaattisesti ristiriidaton teoria, eli jotain uutta oli pakko löytyä.
Supersymmetrian rikkoutumisen energiaa (joka määrää supersymmetristen partnerien massan) voi sen sijaan työntää mielivaltaisen ylös. Odotettiin, että supersymmetria olisi löytynyt jo Tevatronissa, ja sitten LHC:ssä.
En tiedä palaanko tuohon top-kvarkin massan vaikutukseen. Kaikki fermionit vetävät Higgsin itseisvuorovaikutusta heikommaksi sitä enemmän, mitä korkeammalla energialla ollaan. Top-kvarkki on raskain fermioni, eli vuorovaikuttaa Higgsin kanssa vahvimmin. Se voi vetää Higgsin itseisvuorovaikutusta niin alas, että se muuttuu negatiiviseksi ja potentiaalists tulee epästabiili.
Higgsin kentän jäätyminen ei tässä liity inflaatioon, vaan tapahtuu paljon myöhemmin, sähköheikon siirtymän aikaan.
”Higgsin kentän jäätyminen ei tässä liity inflaatioon, vaan tapahtuu paljon myöhemmin, sähköheikon siirtymän aikaan.”
Juu tämä tietysti näin. Ajatukseni vain oli, että Higgsin kenttä inflaationkin aikana ilmeisesti sahasi on/off. Eli missä rajoissa lienee ollut kentän arvo tuolloin (en ole selvää vastausta löytänyt)? Vaikka sitten jäätyikin nykyiseen arvoonsa sähköheikossa symmetriarikossa.
Higgsin kentän arvo inflaation aikana riippuu siitä, oliko Higgs vastuussa inflaatiosta (ja jos oli, niin miten tarkalleen) ja inflaation aikaisesta energiatiheydestä. Nollasta eroava kuitenkin.
[Korjaus: Higgsin kentän arvo voi olla inflaation aikana myös nolla.]
Voiko käsityksesi mukaan olla mahdollista Higgsin kentän antipodaali luonne esim. siten, että vastakkaismerkkiset varaukset vuorovaikuttavat sen kanssa vastakkaisin potentiaalein ja siten Higgsin kentän arvo voitaisiin katsoa olevan keskimäärin nolla?
Tuolla mitä kirjoitit, ei ole mitään tekemistä sen kanssa, miten Higgsin kentän arvo määräytyy. Tämä riittäköön tästä.
Kvarkeista puheen ollen: R.I.P. Murray Gell-Mann (1929-2019) — yksi 1900-luvun suurimmista yleisneroista ja fyysikoista.
”Enemmän keskitytään rakentamaan tunnetulta pohjalta ylöspäin, ja katsomaan mitä tunnettujen asioiden läheisyydestä voisi löytyä.”
Havaintojen puutteessa teoreetikot ovat painelleet länget paukkuen syvälle metsään, tai ”deeply into the thicket of hypotheses”, kuten Einstein sanoisi. Eikö yksi lähestymistapa voisi olla kehittää täysin ongelmaton kvanttikenttäteoria, joka selittää nykyisen standardimallin, ja vasta sitten alettaisiin pohtimaan, miten uudet havainnot (mahdollisesti) laajentavat pitävällä matemaattisella perustalla olevaa teoriaa?
Standardimalli ei ole matemaattisesti ristiriidaton mielivaltaisen korkeilla energioilla. Ei siis ole mitään pitävää matemaattista rakennetta, joka kuvaisi sitä.
Ks. https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/rajankayntia/
Kvanttikenttäteorian tarkka matemaattinen muotoilu on kyllä kiinnostava matemaattinen ongelma (yksi Millennium-ongelmista), jonka ratkaisemisesta saattaa olla (tai saattaa olla olematta) hyötyä fysiikallekin.
Tutkimus etenee aina moneen suuntaan samaan aikaa.
Kuinka hyviä fyysikot noin yleisesti ovat todennäköisyysteoriassa? Eikö koko alkeishiukkaisfysiikka kannattaisi lähteä rakentamaan todennäköisyyskenttäteorian pohjalta? Tällöin hiukkasen mittaus/interaktio olisi realisaatio satunnaiskentän tn-tiheydestä. Voisiko tällä välttää ongelman, että ”todellisuus on outo”, joka seuraa siitä kun kaikki on rakennettu kaikki klassisen fysiikan pohjalle.
Kvanttikenttäteoriaa ei ole rakennettu klassisen fysiikan pohjalle. Tämä riittäköön tästä.