2
min read
A- A+
read
Jumalhiukkanen sai fysiikan Nobelin
Jari Mäkinen
08.10.2013

Higgs ja Englert

En tiedä onko Peter Higgs (kuvassa oikealla) odottanut useaan kertaan lokakuussa puhelimen vieressä, mutta hänellä olisi ollut syytä. Higgsin hiukkanen on ollut puheissa pitkään ja nyt CERNin hiukkaskokeiden ansiosta puheille on perustaakin: teoreettisesti ennustettu hiukkanen, jonka oletetaan antavan aineelle sen massan, todistettiin viime vuonna erittäin todennäköisesti Euroopan hiukkastutkimuskeskus CERNin uudella LHC-kiihdyttimellä sekä sen kahdella koelaitteella.

Higgsin nimeä kantava hiukkanen on hyvin tärkeä osa niin sanottua standarimallia, joka on tämänhetkinen teoria aineen perusrakenteelle ja aineen perusrakennehiukkasten välisille vuorovaikutuksille. Sen rooli on tärkeä siinä mielessä. että sen takana oleva niin sanottu Higgsin kenttä selittää todennäköisesti alkeishiukkasten massan olemassaolon. Siksi sitä on myös kutsuttu "jumalhiukkaseksi", koska se on niin tärkeä.

Kyse on siis siitä, miksi aineella on massaa ja mitä massa sinällään oikein on. Koska Higgsin salaperäinen hiukkanen on hyvin hankala jäljitettävä, pitää laitteiden olla hyvin kookkaita ja törmäysenergian hyvin suuri. Siksi hiukkasta ei ole saatu esiin ennen CERNin suurta LHC-kiihdytintä.

Ja niinpä Peter Higgs sai nyt ansaitsemansa palkinnon, tosin yhdessä François Englertin kanssa. Kaksikko on tehnyt paljon työtä yhdessä ja molempien ottaminen mukaan palkintoon oli oikeus kohtuus, vaikka metsästetty hiukkanen onkin nimetty Higgsin mukaan.

Peter Higgs on Edinburghin yliopiston emeritusprofessori, joka kiinnostui massasta jo opintoaikoinaan 1960-luvun alussa.

François Engelert, joka on nyt Brysselin vapaan yliopiston emeritusprofessori, oli mukana kirjoittamassa Higgsin kanssa vuonna 1964 julkaistua artikkelia, missä lähestyttiin niin sanottua paikallista mittakenttäteoriaa uudella tavalla ja esitettiin, että sen bosonit (etenkin Z ja W) voisivat saada nollasta poikkeavan massan spontaanin symmetriarikon vuoksi. Koska Higgs oli näitä ensinnä ehdottanut, nimettiin tapahtumakulku Higgsin mekanismiksi ja se ennusti ns. Higgsin kentän ja Higgsin bosonin olemassaolon.

Nämä ovat nykyisin siis olennainen osa hiukkasfysiikkaa ja muodostavat pohjan koko laajemmalle fysikaaliselle kuvalle siitä, miten maailmakaikkeus toimii.

Monista yrityksistä huolimatta Higgsin hiukkasta ei oltu saatu näkyviin hiukkaskokeissa, ennen kuin CERNin LHC-kiihdyttimellä saatiin aikaan tarvittavan suuria törmäysenergioita. Heinäkuun 4. päivänä 2012 CERNin kahden suurimman koelaitteen (ATLAS ja CMS) tutkijaryhmät ilmoittivat saaneensa toisistaan riippumatta tuloksia, jotka voitiin selittää vain Higgsin hiukkasen avulla. Tulosten mukaan hiukkasen massa oli noin 125 GeV/c2, eli 113 kertaa protonin massa. Tämä osuu varsin tarkasti ennusteisiin, joten todennäköisyys Higgsin hukassa olleen hiukkasen löytymiseen oli äärimmäisen suuri.

LHC, ATLAS ja CMS

Euroopan hiukkastutkimuskeskuksen CERNin LHC-kiihdytin, eli large hadron collider, on nimensä mukaisesti suuri rengasmainen hiukkaskiihdytin, joka törmäyttää toisiinsa hadroneita, alkeishiukkasia, jollaisia ovat esimerkiksi protonit.

Sveitsissä, Genevessä pääosin sijaitseva, mutta paikoitellen Ranskan puolelle ulottuva 27 kilometriä pitkä rengas kiihdytää protonit lähes valon nopeuteen ja törmäyttää ne nokkakolarissa toisiinsa, jolloin syntyy suurienergisimpiä koskaan tehtyjä törmäyksiä; niiden tuloksena on koko joukko erilaisia alkeishiukkasia, joita suuret koeasemat koittavat mitata mahdollisimman tarkasti. Hieman yleistäen koko suuri laitteisto suurine koeasemineen on viritetty löytämään yhtä ainoaa hiukkasta, Higgsin hiukkasta.

Kiihdyttimen keskellä kulkee kaksi protonisuihkua vastakkaisiin suuntiin, ja lopulta nämä hyvin ohuet, noin 0,05 millimetriä läpimitaltaan olevat suihkut ohjataan törmäämään kunkin koelaitteiston keskellä. Koelaitteet on puolestaan rakennettu sipulin tapaan eri kerroksiin sijoitetuista hiukkasilmaisimista, jolloin törmäyksessä syntyneiden eri hiukkasten radat saadaan selville. Ja koska hiukkaset kaareutuvat magneettikentässä, synnytetään koelaitteeseen suurten magneettien avulla hyvin voimakas ja kompakti mageettikenttä, minkä jälkeen havaittuja hiukkasratoja tutkimalla päätellä millaisia ovat syntyneet hiukkaset.

Tarkalleen ottaen havainnoista voidaan määrittää syntyneiden hiukkasten massa, varaus ja liikemäärä. Ja jotta törmäyksiä voidaan mitata varmasti luotettavasti, on koeasemia erilaisia. Higgsin jahtaamisen kannalta tärkeimmät näistä olivat CMS ja Atlas. Näistä CMS on suomalaisittain erityisen kiinnostava, koska yksi sen sisimmistä hiukkasilmaisinkerroksista on suomalaisvalmisteinen ja suomalaiset fyysikot ovat olleet mukana tulosten käsittelyssä. CMS on massiivisin koskaan tehty tieteellinen tutkimuslaite: sen massa on 12 500 tonnia, pituus 21 metriä, halkaisija 15 metriä ja se rakennettiin luolaan noin sata metriä maan pinnan alapuolelle kuin laivan pienoismalli pulloon. Kaikkiaan LHC-kiihdyttimeen on liitetty viisi koelaitetta, joilla tehdään erilaisia hiukkasfysiikan tutkimuksia.

CMS-kokeessa pääpartneri Suomessa on Fysiikan tutkimuslaitos (HIP), joka on Helsingin yliopiston, Aalto-yliopiston, Jyväskylän yliopiston, Lappeenrannan teknillisen yliopiston ja Tampereen teknillisen yliopiston yhteinen valtakunnallisia tehtäviä hoitava tutkimuslaitos. HIP toimii Helsingin yliopiston yhteydessä.