Kosmokseen kirjoitettua

Neljä vuosikymmentä erämaassa

10.8.2016 klo 03.02, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

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.