Palikkatesti
Kirjoitin viime kuussa siitä, miten Gerardus ‘t Hooft ja Martinus J. G. Veltman vuonna 1971 osoittivat, että hiukkasfysiikan Standardimallissa on vain äärellinen määrä erilaisia vuorovaikutuksia hiukkasten välillä. Tämän läpimurron takia Standardimallista voi luotettavasti ennustaa havaintoja ilman lisäoletuksia.
Standardimalli kuvaa kaikkea tunnettua fysiikkaa gravitaatiota lukuun ottamatta, joten tulos oli hyvin merkittävä. Todistuksessa käytetty menetelmä, renormalisaatio, on myös suuresti johdattanut hiukkasfysiikkaa vuosikymmenien ajan, mutta ei aina hedelmälliseen suuntaan.
Kun kvanttikenttäteoriaa lähdetään rakentamaan, siinä on yleensä vain pieni määrä erilaisia vuorovaikutuksia kenttien välillä. Esimerkiksi sähkömagnetismin tapauksessa niitä on vain yksi: sellainen missä elektroni lähettää fotonin.
Erilaisia tapahtumia voidaan selittää kasaamalla yhdestä palikasta isompia kokonaisuuksia. Jos sen kääntää ajassa ympäri, niin saa vuorovaikutuksen, missä elektroni vastaanottaa fotonin. Jos tämän laittaa yhteen edellisen palikan kanssa, tuloksena on tapahtuma, missä elektronit vuorovaikuttavat toistensa kanssa vaihtamalla fotonin. Tämä kuvaa sitä, miten sähkövaraukset hylkivät toisiaan. Laittamalla samat kaksi palikkaa hieman eri järjestykseen saa tapahtuman, missä elektroni ja sen antihiukkanen positroni annihiloituvat, eli häviävät ja synnyttävät kaksi fotonia.
Sähkövarausten hylkiminen ja aineen ja antiaineen annihilaatio vaikuttavat aivan erilaisilta ilmiöiltä, mutta kvanttikenttäteoriassa ne ovat samanlaisia yksinkertaisia seurauksia sähkömagnetismin perusvuorovaikutuksesta.
Mitä tarkemmin kvanttiefektejä laskee, sitä useampia uudenlaiselta näyttäviä palikoita ne tuovat mukaan teoriaan. Jos teoria on renormalisoituva, nämä kaikki vuorovaikutukset voidaan kuitenkin esittää alkuperäisten palikkojen avulla.
Esimerkiksi sähkömagnetismissa alkuperäinen vuorovaikutus, missä elektroni lähettää fotonin, näyttää yksinkertaiselta vain jos sitä katsoo karkeasti. Syvemmälle syynätessä näkyy, että karkeampi kuva koostuu pienemmistä osasista, joissa on sitä enemmän palikoita mitä tarkemmin katsoo. Elektronin sähkövaraus (eli se, miten vahvasti se kytkeytyy fotoniin) riippuu fotonin energiasta, mutta vuorovaikutus säilyy muuten samanlaisena. Renormalisoituvassa teoriassa tarkemmat laskut paljastavat vain hienompaa rakennetta alkuperäisissä vuorovaikutuksissa, eivät tuo mukaan muuta uutta.
Kvanttikorjauksissa kaikki kentät vuorovaikuttavat toisiinsa. Standardimallissa Higgsin hiukkasen (ja vain Higgsin hiukkasen) massa on herkkä näille kvanttikorjauksille. Niiden kautta isomassaiset hiukkaset tekevät myös Higgsistä raskaan: Higgsin massa on suunnilleen yhtä iso kuin raskaimman hiukkasen massa.
Standardimallissa näin on. Higgs on suunnilleen yhtä raskas kuin top-kvarkki, raskain tunnettu hiukkanen. Mutta jos raskaampia hiukkasia on olemassa, miksi Higgsin hiukkasen massa on pienempi kuin niiden? Tämä kysymys tunnetaan nimellä hierarkiaongelma, ja siitä on kirjoitettu satoja tai tuhansia tieteellisiä artikkeleita.
Hierarkiaongelman taustalla on se, että 1970-luvulla ajateltiin, että Standardimalli on osa suurta yhtenäisteoriaa. Suuren yhtenäisteorian toistaiseksi tuntemattomien hiukkasten pitää olla paljon raskaampia kuin tunnettujen, koska muuten niistä olisi nähty merkkejä.
Tämä johdatti supersymmetriana tunnetun idean soveltamiseen hiukkasfysiikkaan. Supersymmetria katkaisee Higgsin riippuvuuden raskaampien hiukkasten massoista. Toinen yritys oli tekniväri, missä Higgs ei ole alkeishiukkanen. Silloin Higgsin massa (kuten kvarkeista ja gluoneista koostuvan protonin massa) määräytyy siitä millaisia osia siinä on ja miten ne vuorovaikuttavat, eivätkä raskaammat hiukkaset vaikuta siihen.
Yhteistä molemmille selityksille on se, että Higgsin massaa vastaavilla energioilla pitäisi näkyä uutta fysiikkaa, joka muuttaa Higgsin käytöstä siitä mitä Standardimallin ennustaa.
Nyt LHC–hiukkaskiihdyttimessä on luodattu energioita, jotka ovat Higgsin massaa kymmenen kertaa isompia, eikä supersymmetriasta, tekniväristä tai muista Standardimallin laajennuksista ole näkynyt merkkiäkään. Niinpä yhä useampi fyysikko saattaa olla valmis ratkaisemaan ongelman yksinkertaisella tavalla: ehkä Higgs ei ole raskaampi siksi, että raskaampia hiukkasia ei ole olemassa.
Raskaampia hiukkasia ei välttämättä tarvita kosmologian neljän suuren avoimen ongelman ratkaisemiseen. Vuodesta 2007 alkaen on hahmotettu, että kosmisen inflaation voi hoitaa Higgsillä. Pimeä aine sekä aineen ja antiaineen epäsuhta voidaan selittää uusilla hiukkasilla, jotka ovat Higsin hiukkasta kevyempiä, erimerkiksi aksioneilla tai oikeakätisillä neutriinoilla kuten kauniissa NUMSM–mallissa. Neljättä ongelmaa, kiihtyvää laajenemista, ei taasen yleensä edes yritetä selittää raskailla hiukkasilla.
Tässä on se hyvä puoli, että kevyempiä hiukkasia voi olla helpompi havaita kuin raskaita, koska niiden tuottamiseen tarvitaan vähemmän energiaa. Havaitsemista toisaalta vaikeuttaa se, että monet ehdotetut uudet kevyet hiukkaset (kuten aksionit ja oikeakätiset neutriinot) vuorovaikuttavat hyvin heikosti. Osa teoreetikoista ja kokeilijoista onkin kääntynyt kaavailemaan energioiden kasvattamisen sijaan törmäysten määrän nostamista kiihdyttimissä heiveröisten vuorovaikutusten erottamiseksi, kuten ehdotetussa CERNin SHIP-kokeessa.
”Osa teoreetikoista ja kokeilijoista onkin kääntynyt kaavailemaan energioiden kasvattamisen sijaan törmäysten määrän nostamista kiihdyttimissä heiveröisten vuorovaikutusten erottamiseksi, kuten ehdotetussa CERNin SHIP-kokeessa.”
Mielenkiintoinen koe, mutta muutama vuosi saadaan vielä odotella:
The construction and installation will last until the third long shutdown of the LHC and the data taking is assumed to start in 2026.
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/878/1/012014/pdf
myös täällä:
https://arxiv.org/pdf/2112.01487.pdf
”Jos teoria on renormalisoituva, nämä kaikki vuorovaikutukset voidaan kuitenkin esittää alkuperäisten palikkojen avulla.”
Tuli mieleen, että voisiko tuota palikoiden ynnäämistä verrata optiikan aalto-oppiin ja Huygensin periaatteeseen, jossa jokainen aaltorintaman piste toimii uutena aaltoilun lähteenä? Huygensin periaate selittää ilmiöitä, mutta sen epäfysikaalinen idea laskea kaikki luvuttomat säteilylähteet yhteen johtaa ymmärtääkseni äärettömiin tuloksiin. Lopulta kai Kramers selitti valon dispersion Fourierin menetelmien avulla – ja Heisenberg nappasi siitä idea kvanttimekaniikkaansa kuvaamaan hiukkasen olemattoman liikeradan paikkaa ja liikemäärää käänteisten Fourierin sarjojen avulla. Voisiko siis tuo kvanttikenttäteorian palikkalaskenta vastata jotakin sopivaa muunnosta, joka sitten selittää havainnot ilman approksimaatioita?
Ei, renormalisaatio on monimutkaisempi asia.
”…tuloksena on tapahtuma, missä elektronit vuorovaikuttavat toistensa kanssa vaihtamalla fotonin. Tämä kuvaa sitä, miten sähkövaraukset hylkivät toisiaan.” Järkeenkäypä selitys. Entä jos elektroni on sidottu atomiin tai molekyylin kovalenttiseen sidokseen? Sepä ei enää hyväksyykään mitä tahansa fotonia vaan sellaisen, jonka energia vastaa elektronin sallittujen energiatilojen erotusta. Kuinka suuri osa maailman kaikista elektroneista on vapaita ja kuinka suuri osa sidottuja? Kyse on siis elektronien demokratiasta!
Vain pieni osa aineesta on muodostanut tähtiä tai planeettoja, suurin osa on yhä kaasuna avaruudessa. Tähdistä tuleva valo on rikkonut suurimman osan kaasusta atomit siten, että elektronit ovat irtonaisina. Suurin osaa maailmankaikkeuden elektroneista on siis vapaita. (En nyt osaa sanoa tarkkaa lukumäärää.)
Niin maailmankaikkeuden koko energiabudjetista vain noin 5% on (tavallista) baryonista ainetta. Ja siitäkin galaksien tähtien osuus on vain n 7%. Loppu on kylmää/lämmistä/kuumaa kaasua galakseissa ja galaksienvälisessä avaruudessa.
https://sci.esa.int/web/xmm-newton/-/60430-the-cosmic-budget-of-ordinary-matter
t’Hooftin nimi kirjoitettu väärin.
Mitä mieltä olet hänen viimeaikaisista mustan aukon tutkimuksistaan, joissa ollaan päätymässä siihen, ettei tapahtumahorisontin sisäpuolta ole tai se on epäonnistunut käsite?
Millä tavalla väärin? Oikea muoto on ’t Hooft, ei t ’Hooft.
En ole lukenut noita papereita. En muutenkaan seuraa tutkimusta mustien aukkojen ja kvanttifysiikan yhteensovittamisesta.
Hups. Muistin heittopilkun paikan tosiaan itse väärin. Viestivaihdossa näkyy jatkuvasti ilman pilkkua ”t Hooft”.
Mustan aukon tutkimus linkittyy energiajakaumamuutosten tilassa eli gravitaation kvantittamiseen ja kvanttimekaniikan yhteensovittamiseen yleisen suhteellisuuden kanssa.
Siis suosittelen kyllä seuraamaan tuota tutkimuslinjaa.
Niin nämä Hollantilaiset nimet on hauskoja. Jos tämän fyysikon nimellä (ilman etunimeä) aloittaa lauseen niin ensimmäisenä tulee yläheittomerkki. Esim näin:
’t Hooft is most famous for his contributions to the development of gauge theories in particle physics.
tarvitaanko singulariteettia edes? käsite ”ääretön tiheys” on järjenvastainen; auringosta tulee musta aukko jos se puristuu 3km mittaiseksi eikä nollatilavuuteen
Yleisen suhteellisuusteorian mukaan aineen romahtaessa mustan aukon sisällä syntyy singulariteetti, jossa tiheys kasvaa rajatta eikä yleinen suhteellisuusteoria enää päde.
Mutta koska kvanttifysiikkaa ja yleistän suhteellisuusteoriaa ei ole saatu kunnolla sovitettua yhteen, eo olla varmoja siitä, mitä mustien aukkojen sisällä tapahtuu.
Kun kysymys ei liity merkinnän aiheeseen, niin ei siitä sen enempää.
Mikä puoltaisi sitä, että oikeakätisyys tekisi neutronista hiukkasen omillaan eikä pelkästään antihiukkasta?
Kyse on neutriinoista, ei neutroneista. Tarkemmin, ks. https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/kauneusvirheen-korjaaminen/
Totta kai neutriinoista kyse, typo-erhe.
Linkkaamassasi artikkelissa et käsitellyt antineutriinoja.
Onko niin, että jos neutriino lopulta osoittautuisi Majorana-hiukkaseksi ollen helisiteettinsä perusteella hiukkanen tai antihiukkanen, välttämättä se varmistuisi massattomaksi ja makuoskillaatioteoria menisi romukoppaan?
Toinen yleisesti hellitty idea symmetriarikosta neutriinoissa ja sitä kautta aine-antiaine-epätasapainon selitysmalli taitaisi myös olla vaikeuksissa mikäli noin osoittautuisi olevan.
Onko tiedossasi mitään vakavaa tutkimusta tuollaisella skenaariolla?
Majorana-neutriinoilla voi olla massa. Itse asiassa useimmissa neutriinojen massoja selittävissä malleissa neutriinot ovat Majorana-neutriinoja.
Silloin massallisuus hoituu seesaw-mekanismin massamatriisilla Majorana-vaihein, mikä ei nyt aivan ”rehellistä” ole.
Massattomuusolettama on havainnoista päätellen kuitenkin varsin vahvoilla, sillä neutriinot vaikuttavat liikkuvan aina nopeudella c oikeakätisellä helisiteetillä ja antineutriinot aina nopeudella c vasenkätisellä helisiteetillä. Massalliselle hiukkaselle luontaista kiraliteetin invarianttia rakennetta ei ole todennettu.
Edelleen olisin kiinnostunut tutkimuksesta, jossa lähtökohtana neutriinojen aito massattomuus ja silti makujen sekoittuminen etenemisessä.
Tämä ei ole totta. Tiedetään, että ainakin kahdella kolmesta tunnetusta neutriinosta on massa. Ei siitä tässä sen enempää.
Neutriinoista ja niiden massoista, ks.
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/sekoittumista/
https://web.archive.org/web/20220820021821/http://www.tiede.fi/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/pikkupuolueettomien_epamaaraisyytta
https://web.archive.org/web/20220924155504/http://www.tiede.fi/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/pikkupuolueettomien_taustoja
Ei nyt tässä neutriinoista sen enempää, kun ovat sivuseikka merkinnässä.
”Erilaisia tapahtumia voidaan selittää kasaamalla yhdestä palikasta isompia kokonaisuuksia. Jos sen kääntää ajassa ympäri, niin saa vuorovaikutuksen, missä elektroni vastaanottaa fotonin. Jos tämän laittaa yhteen edellisen palikan kanssa, tuloksena on tapahtuma, missä elektronit vuorovaikuttavat toistensa kanssa vaihtamalla fotonin. Tämä kuvaa sitä, miten sähkövaraukset hylkivät toisiaan. Laittamalla samat kaksi palikkaa hieman eri järjestykseen saa tapahtuman, missä elektroni ja sen antihiukkanen positroni annihiloituvat, eli häviävät ja synnyttävät kaksi fotonia.”
Voiko aika kulkea noiden vuorovaikutusten ja alkutilojen suhteen molempiin suuntiin? Meinaan vaan, että miksi kahden fotonin pitäisi ylipäätään vuorovaikuttaa keskenään ja muodostaa hiukkaisia, ja juuri elektroni-positroni-parin juuri samoilla nopeuksilla. Jos tämä käytönnön mahdottomuus ilmenee myriadeissa vuorovaikutustilanteissa (jotka vieläpä virtuaalisia?), niin miten ajan suuntaa voitaisiin kääntää edes periaatteessa? Mielestäni aika on pohjimmiltaan tilastollinen käsite, jonka vieminen kvanttivärinän paikallistasolle on vain filosofien kuumeista houreilua.
En ole varma ymmärränkö kysymystä. Kaikki hiukkaset vuorovaikuttavat jollain tavalla muiden hiukkasten kanssa. Teoria kertoo todennäköisyyden sille, vaikuttavatko ne tietyssä tilanteessa ja millä tavalla.
Siitä mitä tiedämme ajasta, ks. https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/kaksi-tarinaa-ajasta/ (Ei siitä sen enempää, koska ei liity merkinnän aiheeseen.)
Onko tuo kahdesta fotonista syntyvä elektroni-positroni-pari kuinka spontaani prosessi? Jos ”sallitussa” prosessissa entropia kasvaa ja energia leviää, niin mikähän tuollaisen aineenmuodostuksen voisi saada aikaan. Esimerkiksi kvanttivärinän stimuloima fotonin emissio vetyatomissa on selvästi spontaani prosessi, sillä säteilyenergiaa leviää ja elektroni siirtyy alemmalle energiatasolle. (Tämä varmaankin liittyy ajan nuoleen, mutta siitä en nyt tohdi kysyä, koska ei liity merkinnän aiheeseen.)
Kun kaksi hiukkasta -olivatpa ne fotoneita tai protoneita- kohtaavat, niillä on todennäköisyys vuorovaikuttaa keskenään. Kvanttikenttäteoria kertoo, mitkä ovat erilaisten todennäköisyyksien mahdollisuudet, esimerkiksi että fotonit muuttuvat elektroneiksi tai joiksikin muiksi hiukkasiksi. Tähän ei tarvita mitään hiukkasista ylimääräistä. Termiä spontaani ei kuitenkaan käytetä tässä yhteydessä.
Mitähän blogi-isäntä sekoilee? Kaksi merkityksetöntä kommenttimerkintää… ?
Pahoitteluni, wifi saattoi takkuilla. Poistin tyhjät kommentit nyt.
Vaikka higgs vastaisi inflaatiosta se ei tarkoita, ettei ennen inflaatiota olisi ollut raskaampia hiukkasia. Hiukkaskokeet ovat niin kaukana vaaditusta energiaskaalasta, ettei voida vetää johtopäätöksiä.. Sen sijaan standardimallista poikkeavia ilmiöitä on viime aikoina havaittu (esim Beta hajoamis kokeet) – toki poikkeavuudet ovat odotetusti hyvin pieniä.
Oleellista on se, kuinka isoja poikkeamat ovat suhteessa tilastollisiin ja systemaattisiin virheisiin. Tällä hetkellä maanpäällisissiä kokeissa ei ole havaittu mitään poikkeamia Standardimallista (neutriinojen massoja lukuun ottamatta), jotka olisivat tilastollisesti merkittäviä ja joissa systemaattiset virheet ovat pieniä (mukaan lukien epävarmuudet teoreettisissa ennusteissa).
On ymmärrettävää, että Standardimallin tuonpuoleista fysiikkaa haetaan kissoin koirin (kun tiedetään osin Standarditeorian ilmeiset puutteet). Ja tiedetään myös tämänhetkinen kiihdyttimien (esim LHC) suhteellisen pienet energiat. Tässä suurimmat pettymykset ehkä on koettu supersymmetrian osalta. On kuitenkin ilmeinen totuus, että energian ”korpimailla” Planckin energiaan täytyy tulla vastaan uutta teoriaa (ja uusia hiukkasia).
Tästä tilanteesta ja tilanteessa uudisnälkäinen media yrittää joskus väkisin vääntää ”sensaatioita”. Osittain hyvä, osittain huono asia. Tuo Syksyn mainitsema tilastollisen poikkeavuuden merkitävyys vain joskus räikeästi unohtuu tiede-otsikoinnissa.