Kosmokseen kirjoitettua

Toivo elää

8.4.2021 klo 21.53, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Eilen hiukkasfyysikot kohisivat kun tutkimuskeskus Fermilabin koeryhmä julkaisi uuden mittauksen myonin magneettisesta momentista. Lehdistötiedotteen mukaan tulos eroaa merkittävästi hiukkasfysiikan Standardimallin teoreettisesta ennustuksesta ja on vihje uudesta fysiikasta. Tässä on koeryhmän jäseneltä vähemmän hehkutusta ja enemmän tietoa sisältävä kirjoitus. Aiheesta on myös hyvä artikkeli Quantassa, ja teoreetikko Jester ja kokeilija Tommaso Dorigo valaisevat asiaa blogeissaan.

Myoni on alkeishiukkanen, eli sillä ei ole sisärakennetta. Alkeishiukkasten ominaisuudet tiivistyvät muutamaan numeroon: näitä ovat massa, sähkövaraus ja muihin vuorovaikutuksiin liittyvät varaukset, sekä jokunen muu luku. Yksi näistä on magneettinen momentti, joka kertoo, miten paljon hiukkanen kiertyy magneettikentässä. (Tämä kiertyminen liittyy hiukkasten ominaisuuteen nimeltä spin.)

Hiukkasen magneettisen momentin arvoon vaikuttavat kaikki hiukkaslajit, joiden kanssa se voi vuorovaikuttaa. Asiaa kuvaillaan usein niin, että hiukkasta ympäröi virtuaalisten hiukkasten pilvi, joka sekin reagoi magneettikenttään. Voi myös sanoa, että yksittäinen hiukkanen on hiukkaskentän tihentymä, ja liikkuu halki muiden kenttien, jotka vaikuttavat sen käytökseen.

Mittaamalla hiukkasen magneettisen momentin saa siis tietoa siitä, millaisia muita hiukkasia on olemassa. Elektronin magneettisen momentin laskeminen oli keskeinen osa kvanttielektrodynamiikan –ensimmäisen kvanttikenttäteorian– kehittämistä. Teoreettinen ja kokeellinen arvo täsmäävät miljoonasosan miljoonasosan tarkkuudella – tämä on yksi historian tarkimpia ennusteita ja mittauksia.

Myonien magneettinen momentti tunnetaan huonommin, ja Fermilabin koe on toistaiseksi tarkin. Koejärjestelyn idea on helppo selittää: myoneja kiihdytetään 99.9% valonnopeudesta ja pidetään voimakkailla magneeteilla kiertämässä kehää. Sekunnin sadastuhannesosassa myoni hajoaa elektroniksi ja neutriinoiksi. Kun mitataan, mihin suuntaan syntynyt elektroni osoittaa, saadaan selville mihin suuntaan myoni osoitti, eli miten paljon se oli kiertynyt magneettikentässä.

Fermilab on nyt määrittänyt myonin magneettisen momentin yli miljoonasosan miljardisosan tarkkuudella. (Lisätty tarkennus: koe mittaa myonin magneettisen momentin poikkeamaa siitä arvosta, mikä sillä olisi, jos myoni ei vuorovaikuttaisi muiden kenttien kanssa. Tämä poikkeama on noin tuhannesosan kokoinen, ja se on mitattu noin miljoonasosan tarkkuudella.)

Tämä ei ole iso edistysaskel: edellisen Brookhavenin laboratoriossa tehdyn mittauksen tarkkuus oli samaa luokkaa. Intoa herättää se, että nämä riippumattomat tulokset sopivat yhteen keskenään, ja eroavat teoreettisesta laskusta noin kolmen miljardisosan verran. Virherajaan verrattuna tämä on iso ero: todennäköisyys sille, että kyse olisi sattumasta on noin 1:40 000.

Hiukkasfysiikassa vaaditaan, että sattuman todennäköisyys olisi alle yksi noin miljoonasta, ennen kuin saa julistaa löytäneensä uutta fysiikkaa. Kuten olen usein maininnut, tilastollisen virheen korostaminen on kuitenkin harhaanjohtavaa, jos systemaattisia virheitä ja teoreettista ennustusta ei tunneta samalla tarkkuudella. Tässä tapauksessa ongelmia ei ole tiedossa niinkään kokeen kuin teorian puolella.

Fermilabin lehdistötiedote ei mainitse, että on olemassa toinenkin teoreettinen ennustus, ja se sopii hyvin yhteen mittaustuloksen kanssa. Ei tiedetä kumpi ennustus on oikein. On huvittava sattuma, että tämä yhteensopiva ennustus ilmestyi lehdessä samana päivänä, kun Fermilabin koetulos tuli julki. (Tulokset tosin luetaan nettiarkistosta arXiv, ei lehdistä, ja artikkeli on ollut siellä helmikuusta 2020 alkaen.)

Myonin magneettisen momentin laskeminen on erittäin vaikeaa. Siihen vaikuttavat monet hiukkaset, ja niiden vuorovaikutukset myonin kanssa pitää laskea tarkasti. Kaksi ristiriidassa olevaa teoreettista laskua lähestyvät asiaa eri tavalla.

Fermilabin koetuloksista poikkeava tarkastelu sivuuttaa osan laskujen ongelmista jättämällä niihin mustan laatikon, jonka arvo mitataan kokeista laskemisen sijaan. On mahdollista, että tämä laatikko ei ole asennettu oikein laskun muihin osiin.

Koetulosten kanssa yhteensopiva lasku sen sijaan laskee magneettisen momentin numeerisesti alusta alkaen. Numeerisissa laskuissa on omat sudenkuoppansa, ja laskun tehneen ryhmän mukaan tulos pitää vielä tarkistaa ja varmentaa.

Tilanne ei ole ainutlaatuinen. Muistan, kuinka 2000-luvun alussa oltiin kiinnostuneita myonin magneettisen momentin kokeellisen ja teoreettisen arvon isosta erosta, kunnes huomattiin, että laskussa oli yksi miinusmerkki väärin.

Fermilabin ryhmän julkaisema tulos perustuu vain 6% datasta, jonka se tulee kaikkiaan keräämään. Kaiken datan myötä tilastollisen virheen mahdollisuus laskee noin miljardisosan sadasosaan, kauas löydölle sovitun riman yläpuolelle, mutta tällä ei ole ratkaisevaa merkitystä, ellei teoreettista laskua saada vakaalle pohjalle.

Jos ristiriita koetuloksen ja teorian kanssa varmistuu, kyseessä on ensimmäinen kiihdytinhavainto hiukkasfysiikasta Standardimallin tuolla puolen. (Neutriinoiden massa ja pimeä aine ovat Standardimallin tuolla puolen, mutta ne on havaittu muilla keinoin.)

Kuten Jester huomauttaa, mitattu ero on isompi kuin Standardimallin W– ja Z-bosonien vaikutus myonin magneettiseen momenttiin. Tämä viittaa siihen, että poikkeaman aiheuttava hiukkanen ei ole kovin raskas. (Mitä raskaampi hiukkanen, sitä heikommin se vaikuttaa muiden hiukkasten ominaisuuksiin.) Tämä tarkoittaa, että sen voisi kenties havaita kiihdyttimissä – ja herättää kysymyksiä siitä, miksi sitä tai sen vaikutuksia muihin hiukkasiin ei ole vielä nähty.

Selityksiähän teoreetikoilla löytyy. Tänään tuli jo julki 32 artikkelia, joissa yhdistetään Fermilabin tulos uusiin hiukkasfysiikan teorioihin, ja huomenna saadaan lisää. Aika näyttää, onko joku niistä oikein, vai katoaako poikkeama tarkemmalla tarkastelulla, kuten hiukkasfysiikassa on usein käynyt. (Hiljattain julistettiin toinenkin –tilastollisesti vähemmän merkitsevä– ero Standardimallin ja havaintojen välillä; Tommaso Dorigo tarjoaa siihenkin hyvän katsauksen.)

Quantan artikkelissa Fermilabin koeryhmän jäsen Dominik Stöckinger sanoo liioitellen, että myonin magneettinen momentti on viimeinen toivo, ja hiukkasfysiikka kuolee, jos mitään ei löydykään. Tommaso Dorigo esittää asian vähemmän dramaattisesti: hänen mukaansa mittaus pitää elossa toivoa siitä, että on vielä jotain kiihdytinten löydettävissä.

Päivitys (10/04/21): Lisätty selvitys mittaustarkkuudesta.