Kosmokseen kirjoitettua

Vakauden ja tuhon rajalla

30.9.2016 klo 22.54, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Monet odottivat CERNin LHC-kiihdyttimen vievän tutkijat Standardimallin tuolle puolen. Uutta mannerta ei kuitenkaan ole näkynyt, ja toistaiseksi LHC on löytänyt vain Higgsin hiukkasen. Tämä on saanut yhä useammat tutkijat ottamaan vakavasti sen pelottavan vaihtoehdon, että Standardimallin pätevyysalue ulottuukin paljon LHC:n energioita pidemmälle. Vaikka LHC:n ulottuvilla ei olisi enää mitään löydettävää, sen tuloksista voi kuitenkin silti päätellä, missä vaiheessa uutta fysiikkaa viimeistään tulee vastaan

Standardimalli on vain approksimaatio, ja jos voidaan osoittaa, että se törmää ongelmiin tietyllä energialla, niin viimeistään silloin pitää tulla jotain uutta kuvioihin. Samanlaisella perusteella tiedettiin se, että LHC löytää joko Higgsin tai jotain uutta: ilman Higgsin hiukkasta Standardimalli ei toimi edes LHC:n energioilla. Higgsin kanssakaan Standardimallin pätevyysalue ei ole rajaton. Itse asiassa juuri Higgs on vastuussa Standardimallin ongelmista.

Higgsin kenttä antaa alkeishiukkasille massat siten, että kenttä täyttää koko avaruuden ja hiukkaset vuorovaikuttavat sen kanssa. Hiukkasten saamien massojen suuruus riippuu kahdesta asiasta: kuinka voimakkaasti ne kytkeytyvät Higgsin kenttään ja kuinka suuri kentän arvo on. Tätä voi verrata siihen, miten sähkökenttä kiihdyttää hiukkasia: hiukkasiin kohdistuva voima riippuu siitä, kuinka voimakkaasti ne kytkeytyvät sähkökenttään (eli mikä niiden sähkövaraus on) ja kuinka suuri sähkökentän arvo on.

Sen lisäksi, että Higgsin kentän arvo määrää hiukkasten massojen suuruusluokan, sillä voi olla muitakin tärkeitä rooleja. Higgsin kenttään liittyy energiatiheys. Kentän nykyisellä arvolla energiatiheys on nolla (tai hyvin pieni, jos se on nykyisen kiihtyvän laajenemisen takana). Kentän isommilla arvoilla Higgsin energiatiheys ensin kasvaa, ja se saattaa olla vastuussa varhaisen maailmankaikkeuden inflaatiosta ja sitä kautta kaiken rakenteen siemenistä. Kentän arvon kasvaessa energiatiheys kuitenkin kääntyy laskuun, ja lopulta putoaa negatiiviseksi. Tämä olisi maailmankaikkeudelle katastrofi.

Jos Higgsin kentällä on tila, jossa sen energiatiheys on nykyistä arvoa pienempi, niin kenttä voi hypätä sinne. Tämä ilmiö on nimeltään tunneloituminen, ja se on atomiydinten radioaktiivisen hajoamisen taustalla. Paitsi että kentän isompi arvo muuttaisi hiukkasten massat ja vuorovaikutukset ja siten tuhoaisi aineen sellaisena kuin sen tunnemme, negatiivinen energiatiheys saisi maailmankaikkeuden romahtamaan laajenemisen sijaan.

Jos aika siihen, että maailmankaikkeus tekee tämän hirvittävän hyppäyksen on pidempi kuin sen nykyinen ikä, niin ongelmaa ei ole. Jos sen sijaan tunneloitumisen olisi pitänyt jo tapahtua, niin voimme päätellä, että alemman energian tilaa ei ole olemassa – eli on olemassa uutta fysiikkaa, joka kääntää Higgsin kentän energian nousuun ennen kuin se putoaa alle nollan.

Se, millä kentän arvolla Higgs sukeltaa negatiiviin energioihin riippuu ennen kaikkea Higgsin massasta (ja top-kvarkin massasta). Se onkin ainoa uusi maailmankaikkeutta kuvaava luku, jonka LHC on meille kertonut. Higgsin massa tunnetaan nyt 0.2% tarkkuudella, ja top-kvarkin massa sekin paremmalla kuin 1% tarkkuudella. Se, koska Higgsin kentän energiatiheys putoaa alle nollan, kuitenkin riippuu näistä massoista niin herkästi, että ei vieläkään tiedetä tarvitaanko uutta fysiikkaa, vai voiko Standardimalli päteä aina kvanttigravitaation porteille asti.

Voi kuulostaa siltä kuin nämä LHC:n mittaukset eivät olisi tehneet meitä tässä yhtään viisaammaksi. Kuitenkin juuri se, että yli prosentin tarkkuus ei riitä kertomaan, onko Standardimallin kuvaama maailmankaikkeus stabiili vai epästabiili, on itsessään kiehtova tosiseikka. Jos Higgsin ja top-kvarkin massat olisivat vähän erilaiset, niin joko Standardimallin mukainen maailmankaikkeus tiedettäisiin stabiiliksi tai maailmankaikkeutta ei olisi.

Miksi Standardimalli on niin lähellä stabiilin ja epästabiilin tilanteen rajaa? Sattumaksi tämä on poikkeuksellisen kutkuttava. Yksi ehdotus on, että isoilla kentän arvoilla, joiden ajatellaan liittyvän siirtymään Standardimallista kvanttigravitaatioon, Higgsin kentän energiatiheyden pitää olla nolla, eli tismalleen stabiilin ja epästabiilin tilanteen rajalla. Higgs-inflaatiostakin tunnettu Mikhail Shaposhnikov yhdessä Christof Wetterichin kanssa käytti tällaista periaatetta Higgsin massan (onnistuneeseen) ennustamiseen vuonna 2009, kolme vuotta ennen sen löytymistä. Olivatpa he oikeilla jäljillä tai eivät, niin jos LHC ei tulevina vuosina paljasta uusia tienviittoja, tämän yhden vihjeen suuntaan raivataan varmasti yhä useampia polkuja.