Kymmenen vuotta sitten, 4.7.2012, Large Hadron Collider -hiukkaskiihdyttimen (LHC) ATLAS- ja CMS-kokeet ilmoittivat löytäneensä uuden hiukkasen, jonka ominaisuudet vastasivat hiukkasfysiikan standardimallin ennustaman Higgsin bosonin ominaisuuksia. Löydös oli tieteen historian virstanpylväs ja herätti koko maailman huomion. Vuotta myöhemmin François Englertille ja Peter Higgsille myönnettiin Nobelin fysiikanpalkinto yhdessä edesmenneen Robert Broutin kanssa kymmeniä vuosia aiemmin tehdystä ennusteesta, jonka mukaan maailmankaikkeuden läpäisee Higgsin kenttänä tunnettu peruskenttä, joka ilmenee Higgsin bosonin muodossa ja antaa massan alkeishiukkasille.
– Higgsin bosonin löytyminen oli merkittävä virstanpylväs hiukkasfysiikan saralla. Se merkitsi vuosikymmeniä kestäneen tutkimusmatkan loppua ja uuden, tämän erikoislaatuisen hiukkasen tutkimiseen keskittyvän aikakauden alkua, sanoo Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskus Cernin pääjohtaja Fabiola Gianotti, joka johti ATLAS-koetta löytöhetkellä.
– Se päivä herättää minussa edelleen voimakkaita tunteita. Päivä oli riemukas koko maailmanlaajuiselle hiukkasfysiikan yhteisölle ja kaikille niille, jotka uurastivat väsymättä vuosikymmenten ajan tämän löydön mahdollistamiseksi.
Kymmenessä vuodessa fyysikot ovat ottaneet valtavia edistysaskeleita maailmankaikkeuden ymmärtämisessä. Sen lisäksi, että vuonna 2012 löydetty hiukkanen vahvistettiin Higgsin bosoniksi, tutkijat ovat voineet alkaa rakentaa kuvaa siitä, miten kaikkialle maailmankaikkeuteen ulottuva Higgsin kenttä sai alkunsa 0,1 miljardisosasekuntia alkuräjähdyksen jälkeen.
– Suomesta tutkijoita osallistuu LHC-kiihdyttimen CMS-, ALICE-, TOTEM- ja MoEDAL-kokeisiin, toteaa Fysiikan tutkimuslaitoksen johtaja Katri Huitu. Helsingin yliopiston ja neljän muun suomalaisen yliopiston yhteinen Fysiikan tutkimuslaitos vastaa Suomen tutkimusyhteistyöstä Cernin kanssa.
Uuden matkan tähänastiset vaiheet
Kansainvälisissä ATLAS- ja CMS-kokeissa vuonna 2012 löydetty hiukkanen muistutti läheisesti standardimallin ennustamaa Higgsin bosonia. Oliko se kuitenkaan juuri tämä kauan kaivattu hiukkanen? Heti löydöksen jälkeen ATLAS- ja CMS-kokeissa alettiin selvittää yksityiskohtaisesti, vastasivatko löydetyn hiukkasen ominaisuudet todella standardimallin ennustamia ominaisuuksia. Kokeissa osoitettiin, että uudella hiukkasella ei ole sisäistä pyörimismäärää eli spiniksi kutsuttua kvantti-ilmiötä, aivan kuten standardimallin ennustamalla Higgsin bosonillakaan ei ole. Tähän päädyttiin hyödyntämällä dataa, joka koski uuden hiukkasen hajoamista kahteen fotoniin (jotka välittävät sähkömagneettista voimaa). Sitä vastoin kaikilla muilla tunnetuilla alkeishiukkasilla on spin: materiahiukkasilla, kuten protoneita ja neutroneita muodostavilla ylös- ja alaskvarkeilla, sekä voimaa välittävillä hiukkasilla, kuten W- ja Z-bosoneilla.
Seuraamalla Higgsin bosonin syntyä W- ja Z-bosonipareista ja hajoamista niiksi ATLAS- ja CMS-kokeissa vahvistettiin, että W- ja Z-bosonit saavat massansa vuorovaikutuksessa Higgsin kentän kanssa hiukkasfysiikan standardimallin ennusteen mukaisesti. Näiden vuorovaikutusten voimakkuus selittää, miksi tämän tietynlaista radioaktiivista säteilyä tuottavan ja auringon käyttövoimana toimivan ydinfuusioreaktion käynnistävän heikon voiman kantama on lyhyt.
Kokeissa on myös osoitettu, että huippu- ja pohjakvarkki sekä tau-leptoni – jotka ovat raskaimpia fermioni-hiukkasia – saavat massansa vuorovaikutuksessa Higgsin kentän kanssa, minkä standardimalli niin ikään ennusti. Tämä tehtiin huippukvarkin tapauksessa tarkastelemalla Higgsin bosonin syntymistä yhdessä huippukvarkkiparien kanssa. Pohjakvarkin ja tau-leptonin osalta tarkasteltiin bosonin hajoamista kahdeksi pohjakvarkiksi tai tau-leptoniksi. Näillä havainnoilla vahvistettiin Yukawa-kytkentänä tunnetun vuorovaikutuksen eli voiman olemassaolo. Se on osa standardimallia, mutta poikkeaa kaikista muista mallin voimista: sitä välittää Higgsin bosoni, eikä sen voimakkuus kvantitu, eli sitä ei esiinny minkään tietyn yksikön kerrannaisina.
ATLAS- ja CMS-kokeissa Higgsin bosonin massaksi mitattiin 125 miljardia elektronivolttia (GeV) vaikuttavalla lähes yhden promillen tarkkuudella. Higgsin bosonin massa on luonnon perusvakio, jota standardimalli ei ennusta. Higgsin bosonin massa voi lisäksi määrittää maailmankaikkeuden tyhjiön vakauden yhdessä raskaimman tunnetun alkeishiukkasen eli huippukvarkin massan ja muiden muuttujien kanssa.
Nämä ovat vain muutamia niistä konkreettisista tuloksista, joita on saatu tutkimalla Higgsin bosonia kymmenen vuoden ajan maailman suurimmalla ja tehokkaimmalla hiukkaskiihdyttimellä. LHC on ainoa paikka maailmassa, jossa tätä ainutlaatuista hiukkasta voidaan tuottaa ja tutkia yksityiskohtaisesti.
– LHC-kiihdyttimen tuottaman suuren datamäärän, ATLAS- ja CMS-ilmaisimien poikkeuksellinen suorituskyvyn ja uusien analysointimenetelmien ansiosta molemmissa yhteistyöhankkeissa on voitu laajentaa Higgsin bosoniin liittyviä mittauksia pidemmälle kuin luultiin olevan mahdollista kokeita suunniteltaessa, sanoo ATLAS-kokeen johtaja Andreas Hoecker.
LHC-kiihdytimellä on löydetty lisäksi yli 60 standardimallin ennustamaa komposiittihiukkasta, joista osa on eksoottisia tetrakvarkkeja ja pentakvarkkeja, sen jälkeen kun protonien törmäyttäminen ennätyksellisen suurilla energiatasoilla aloitettiin kiihdyttimellä vuonna 2010. Kokeet ovat myös paljastaneet joukon kiehtovia vihjeitä lisätutkimuksia vaativista poikkeamista standardimalliin. Lisäksi kokeissa on tutkittu ennennäkemättömän yksityiskohtaisesti kvarkkigluoniplasmaa, joka täytti maailmankaikkeuden sen syntyhetkillä. Tutkijat ovat myös havainneet monia harvinaisia hiukkasprosesseja, mitanneet standardimalliin kuuluvia ilmiöitä entistä tarkemmin ja avanneet uusia uria etsiessään muita kuin standardimallin ennustamia hiukkasia, kuten hiukkasia, jotka saattavat muodostaa pimeän aineen, josta suuri osa maailmankaikkeuden massasta koostuu.
Näiden hiukkashakujen tulokset kasvattavat perusfysiikan tietämystä.
– Hiukkasfysiikan löydökset eivät välttämättä tarkoita uusien hiukkasten löytämistä, sanoo Cernin tutkimus- ja laskentajohtaja Joachim Mnich.
– LHC-kiihdyttimellä kymmenessä vuodessa saatujen tulosten avulla on voitu laajentaa tutkimusten kenttää, asettaa tiukat ehdot standardimallin mahdollisille laajennuksille sekä kehittää uusia haku- ja data-analyysimenetelmiä.
Hämmästyttävää kyllä, kaikki LHC-kiihdyttimellä tähän mennessä saadut tulokset perustuvat vain viiteen prosenttiin siitä datamäärästä, jota kiihdytin koko käyttöikänsä aikana tulee keräämään.
– Tällä ”pienellä” otoksella LHC on mahdollistanut suuret edistysaskelet alkeishiukkasten ja niiden vuorovaikutuksen ymmärtämisessä, toteaa Cernissä työskentelevä teoreettinen fyysikko Michelangelo Mangano.
– Vaikka tähänastiset tulokset täsmäävät standardimallin kanssa, teorian ennustamien ilmiöiden ulkopuolella on vielä paljon tilaa uusille ilmiöille.
– Higgsin bosoni itsessään saattaa viitata uusiin ilmiöihin, joista osa voi olla vastuussa maailmankaikkeudessa esiintyvästä pimeästä aineesta, sanoo CMS-kokeen johtaja Luca Malgeri.
– ATLAS- ja CMS-kokeilla toteutetaan lukuisia hakuja kaikenlaisista Higgsin bosoniin liittyvistä odottamattomista prosesseista.
Matka joka on vielä edessä
Mitä opittavaa Higgsin kentästä ja Higgsin bosonista on kymmenen vuoden jälkeen? Vaikka mitä. Antaako Higgsin kenttä massan myös kevyemmille fermioneille, vai liittyykö siihen mahdollisesti jokin toinen mekanismi? Onko Higgsin bosoni alkeis- vai yhdistelmähiukkanen? Voiko se vuorovaikuttaa pimeän aineen kanssa ja paljastaa tämän salaperäisen ainemuodon todellisen luonteen? Mikä saa aikaan Higgsin bosonin massan ja Higgs bosonien keskenäisen vuorovaikutuksen? Onko toisia Higgsin bosoneja tai sukulaishiukkasia?
Vastausten löytäminen näihin ja muihin kiehtoviin kysymyksiin lisää tietämystämme maailmankaikkeudesta pienimmissä mahdollisissa mittakaavoissa ja saattaa samalla auttaa ratkaisemaan joitakin maailmankaikkeuden suurimpia arvoituksia, kuten sen, miten se on kehittynyt nykyiseen muotoonsa ja mikä sen lopullinen kohtalo mahdollisesti on. Erityisesti Higgsin bosonien keskinäinen vuorovaikutus saattaa auttaa ymmärtämään paremmin materian ja antimaterian välistä epätasapainoa sekä maailmankaikkeuden tyhjiön vakautta.
Joihinkin näistä kysymyksistä voidaan saada vastauksia LHC-kiihdyttimen pian alkavan kolmannen ajon aikana kerätystä datasta tai vuonna 2029 käyttöön otettavasta korkean luminositeetin LHC-kiihdytinpäivityksestä, mutta muiden arvoitusten uskotaan olevan LHC-kiihdyttimen ulottumattomissa. Niiden selvittämiseen tarvitaan tulevaisuuden ”Higgs-tehdasta”. Tästä syystä Cern ja sen kansainväliset yhteistyökumppanit selvittävät paljon suuremman ja tehokkaamman laitteen, Future Circular Collider -nimellä tunnetun kiihdyttimen teknistä ja taloudellista toteuttamiskelpoisuutta vastauksena tuoreimpaan Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuksen strategian päivitykseen.
– Suurenergiset hiukkaskiihdyttimet ovat edelleen tehokkaimpia käytössä olevia mikroskooppeja, joilla voidaan tutkia luontoa sen pienimmissä mittakaavoissa ja selvittää maailmankaikkeutta sääteleviä peruslakeja, sanoo Cernin teoreettisen fysiikan osaston johtaja Gian Giudice.
– Lisäksi näistä laitteista on valtavaa yhteiskunnallista hyötyä.
Suurenergisiin kiihdyttimiin liittyvillä kiihdytin-, ilmaisin- ja laskentateknologioilla on ollut merkittävä myönteinen vaikutus yhteiskuntaan muun muassa World Wide Web -järjestelmä, positroniemissiotomografian kehittämiseen johtaneiden ilmaisinkehityksen ja syövän hoitoon käytettävässä hiukkashoidossa hyödynnettävien kiihdyttimien suunnittelun muodossa. Lisäksi hiukkasfysiikan tutkimuksessa käytettävien kiihdyttimien ja kokeiden suunnittelu, rakentaminen ja toteutus on johtanut uusien tutkija- ja muiden alojen asiantuntijasukupolvien kouluttamiseen sekä ainutlaatuiseen kansainvälisen yhteistyön mallin syntyyn.
Sinä ja kaikki ympärilläsi oleva koostuu hiukkasista.
Kun maailmankaikkeus sai alkunsa, hiukkaset olivat massattomia ja liikkuivat valon nopeudella.
Tähtien, planeettojen ja elämän synty oli mahdollista vain siksi, että hiukkaset saivat massansa Higgsin bosoniin liittyvästä peruskentästä.
Tämän massaa tuottavan kentän olemassaolo varmistui vuonna 2012, kun Higgsin bosoni -niminen hiukkanen havaittiin Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskus Cernissä.
Mikä on Higgsin bosoni?
Nykykäsityksen mukaan jokainen hiukkanen on aalto jossakin kentässä. Tunnetuin esimerkki tästä on valo: valo on samaan aikaan sekä aalto sähkömagneettisessa kentässä että fotoneiksi kutsuttujen hiukkasten virta.
Higgsin kenttä kuvattiin ensi kerran vuonna 1964, jolloin sen ehdotettiin olevan uudenlainen kenttä, joka täyttää koko maailmankaikkeuden ja antaa massan kaikille alkeishiukkasille. Higgsin bosoni on aalto tässä kentässä. Higgsin bosonin löytyminen vahvistaa Higgsin kentän olemassaolon.
Mistä hiukkaset saavat massansa?
Hiukkaset saavat massansa vuorovaikutuksessa Higgsin kentän kanssa, eikä niillä ole omaa massaa.
Mitä voimakkaampaa hiukkasen ja Higgsin kentän välinen vuorovaikutus on, sitä raskaammaksi hiukkanen muodostuu. Esimerkiksi fotonit eivät ole vuorovaikutuksessa Higgsin kentän kanssa, joten niillä ei ole massaa. Elektronit, kvarkit, bosonit ja muut alkeishiukkaset sen sijaan ovat vuorovaikutuksessa kentän kanssa, joten niillä on myös vaihteleva massa.
Tätä massaa tuottavaa vuorovaikutusta Higgsin kentän kanssa kutsutaan Brout-Englert-Higgsin mekanismiksi sen esittäjien, teoreettisten fyysikkojen Robert Broutin, François Englertin ja Peter Higgsin mukaan.
Miten Higgsin bosoni löydettiin?
Higgsin bosonia ei voi ”löytää” mistään tietystä paikasta, vaan se täytyy luoda hiukkasia törmäyttämällä. Kun se on luotu, se muuttuu – tai hajoaa – muunlaisiksi hiukkasiksi, joita voidaan havaita hiukkasilmaisimilla.
Fyysikot etsivät jälkiä näistä hiukkasista ilmaisimien keräämästä datasta. Haasteena on, että näitä hiukkasia syntyy myös monissa muissa prosesseissa, minkä lisäksi Higgsin bosoni esiintyy vain arviolta yhdessä miljardista LHC-kiihdyttimellä tehdyistä törmäytyksistä. Hiukkasen heikko signaali havaittiin kuitenkin vuonna 2012 valtavan datamäärän huolellisella tilastollisella analyysilla.