Suomalaistutkijat selvittivät: Higgsin hiukkanen pelasti maailmankaikkeuden

Taiteilijan näkemys maailmankaikkeuden alkuhetkistä
Taiteilijan näkemys maailmankaikkeuden alkuhetkistä
Markus Hotakainen

Kun Higgsin hiukkanen, joka antaa muille hiukkasille massan, löydettiin CERNissä vuonna 2012, yksi hiukkasfysiikan niin sanotun standardimallin keskeisistä palasista loksahti paikalleen. Samalla heräsi visaisia kysymyksiä, joista yksi liittyy koko kosmokseen: miten maailmankaikkeus voi olla olemassa.

Higgsin hiukkaset syntyivät, kun maailmankaikkeus laajeni inflatorisesti. Teorioiden mukaan sen olisi pitänyt johtaa epävakauteen, josta olisi ollut seurauksena maailmankaikkeuden romahtaminen heti alkumetreillään. Niin ei käynyt, koska olemme täällä pohtimassa siihen syytä.

Lontoon Imperial Collegessa professorina toimiva Arttu Rajantie selvitti työryhmineen viime vuonna, että maailmankaikkeuden pelasti luhistumiselta Higgsin hiukkasen ja gravitaation välinen vuorovaikutus. Nyt työryhmä on saanut määritettyä tuon vuorovaikutuksen voimakkuuden paljon aiempaa tarkemmin.

Vuorovaikutuksen voimakkuus on standardimallin viimeinen tuntematon parametri. CERNin LHC-kiihdyttimellä (Large Hadron Collider) tehtyjen kokeiden perusteella sen arvo on saatu määritettyä hyvin epätarkasti miinus kvadriljoonan ja kvadriljoonan välille (-1015–1015).

Tutkimalla välittömästi inflaatiota seurannutta ajanjaksoa, jolloin maailmankaikkeuden laajeneminen hidastui ja tasaantui, työryhmä on onnistunut parantamaan tarkkuutta huimasti: arvo on tuoreen arvion mukaan nollan ja yhden välillä. Jos se olisi suurempi kuin yksi, maailmankaikkeus olisi luhistunut kasaan.

Maailmankaikkeuden varhaisia vaiheita kuvaavia inflaatioteorioita on useita ja monet niistä ovat sopusoinnussa uuden tuloksen kanssa. Jatkotutkimukset ja tulevat havainnot saattavat auttaa tutkijoita ratkaisemaan, mikä teorioista on oikea.

"Olemme määrittäneet Higgsin hiukkasen ja gravitaation väliselle voimakkuudelle paljon aiempaa rajatumman vaihteluvälin", toteaa Rajantie. "Tulevissa hiukkaskokeissa ja kosmologisissa havainto-ohjelmissa tiedämme nyt paremmin, mitä etsiä, jotta saisimme selville tarkan arvon. Kun se yhdistetään muihin tietoihin, voimme kenties ratkaista, mikä inflaatioteoria on se oikea."

Tulevaisuudessa on tarkoitus toteuttaa useitakin kosmologiaan ja hiukkasfysiikkaan liittyviä tutkimushankkeita, joilla vuorovaikutuksen voimakkuuden arvoa pystytään entisestään tarkentamaan. 

Esimerkiksi LHC-kiihdyttimen energia on kaksinkertaistettu sitten Higgsin hiukkasen löytymisen ja vastikään avaruuteen laukaistu LISA Pathfinder -luotain tähtää gravitaatioaaltojen havaitsemiseen – ja ne voivat kertoa osaltaan myös maailmankaikkeuden varhaisvaiheiden olosuhteista.

Tutkimuksesta kerrottiin Lontoon Imperial Collegen uutissivuilla ja se on julkaistu Physical Review Letters -tiedelehdessä (maksullinen).

Kuva: Imperial College London

 

 

Mikä jumittaa LHC:n käynnistämisessä? Jari Mäkinen Ma, 30/03/2015 - 22:03
Atlas-koeasema huollon aikana avattuna
Atlas-koeasema huollon aikana avattuna
LHC
Jari Mäkinen

Hiukkasfyysikoiden mielestä alkanut viikko on jännittävä, sillä Euroopan hiukkastutkimuskeskus CERNissä sijaitseva suuri LHC-kiihdytin on tarkoitus ottaa parannettuna käyttöön tämän viikon kuluessa. 

Alun perin tarkoitus oli käynnistää alkuvuodesta 2013 huoltotauolle laitettu kiihdytin maaliskuun puolivälissä, mutta monet pienet syyt viivyttivät testaamista ja lopulta toissa viikonlopun lauantaina (21.3.) syntynyt oikosulku lykkäsi käynnistystä edelleen. Alla olevassa kuvassa tutkitaan syytä oikosulkuun.

Jättikokoinen tieteentekokone

Geneven luona, Sveitsin ja Ranskan rajalla sijaitseva Large Hadron Collider, eli LHC, on maailman tehokkain hiukkaskiihdytin. Se otettiin alun perin käyttöön vuonna 2008. Kiihdyttimessä on 1232 15 metriä pitkää dipolimagneettia ja 392 viidestä seitsemään metriä pitkää fokusointimagneettia, jotka kiihdyttävät ja ohjaavat protonisuihkuja 27 kilometriä halkaisijaltaan olevassa kiihdyttimessä. Jotta magneeteista saadaan suuri teho, ne ovat suprajohtavia, eli ne jäähdytetään -273°C:n lämpötilaan.

CERNin käyttämän vertauksen mukaan tarkkuus, millä lähes valon nopeudella kiitävät hiukkassuihkut kohdistetaan tarkasti toisiaan vastaan LHC:n sisällä on sama kuin kaksi neulaa ammuttaisiin kohti toisiaan 10 kilometrin etäisyydeltä ja ne törmäisivät päittäin puolimatkassa.

Kun LCH rakennettiin, se tehtiin kykeneväksi törmäyttämään hiukkasia tuplasti alkuperäistä suuremmalla teholla. Tällä kaksi vuotta kestäneellä huoltotauolla kiihdyttimen osia on paranneltu niin, että nyt päästään 6.5 TeV:n energiaan. Kun kaksi tällaista hiukkaskimppua osuvat nokakkain, saadaan 13 TeV:n törmäyksiä.

Huollossa suuri,noin sadan metrin syvyydessä maan alla tunnelissa oleva kiihdytinrengas avattiin noin 20 metrin välein ja jokainen liitos magneettien välillä tarkistettiin sekä vahvistettiin. 

LHC

Uudelleenkäynnistys on tarkkaa puuhaa

Kun kiihdytintä oltiin käynnistämässä ensimmäisen kerran vuonna 2008, tapahtui paha toimintahäiriö: yhdessä suprajohtavia magneetteja yhdistävässä, myös nestemäisellä heliumilla jäähdytetyssä suprajohtavassa kaapeliliitoksessa tapahtui oikosulku, joka sai aikaan sen, että suprajohtavuus hävisi kaapelissa. Tällöin johtimen sähkönjohtavuus huononi nopeasti ja suuri sähkövirta kuumensi sitä niin, että helium lämpeni voimakkaasti ja purkautui suoraan magneettien jäähdytysjärjestelmään.

Korjausten lisäksi kaikki magneettien väliset liitokset tarkistettiin ja kiihdyttimeen asennettiin uusi valvontajärjestelmä sekä venttiileitä, jotka suojaavat magneetteja vastaavilta tapauksilta.

Tähän tuhraantui vuoden päivät, joten LHC saatiin kunnolla toimintaan vasta vuonna 2009.

Vaikka ensimmäiselläkin kerralla käynnistys tehtiin varovasti ja hitaasti, nyt uudelleenkäynnistykseen suhtaudutaan vieläkin varovaisemmin. Siksi toissa viikonlopun oikosulkuun suhtauduttiin hyvin vakavasti, mutta onneksi sillä ei ollutkaan suuria seurauksia.

Vika liittyy siihen, että olennainen osa käynnistystä on suprajohtavien magneettien “treenaaminen” kestämään suurta sähkövirtaa. Kuuden kuukauden aikana noin 1700 erilaista magneettia on viilennetty suprajohtaviksi ja lämmitetty huoneenlämpöön niin monta kertaa, että ne pystyvät välittämään 11080 A:n virran. Samalla magneettien kaikki ohjaus- ja varojärjestelmät on testattu vielä kerran.

Maaliskuun puoliväliin mennessä seitsemän kahdeksasta kiihdyttimen osasta oli saatu valmiiksi, mutta viimeinen osa (niin sanottu sektori 45) oli osoittautunut hankalaksi. Se vaati peräti 45 lämmitys- ja viilennyssykliä ennen kuin se saatiin toimimaan 10990 A:n virralla. Mutta tämä ei riittänyt, sillä tavoite oli liki sata ampeeria enemmän. 

Sitten, todennäköisesti viimeisessä treenauksessa, magneetin alaosassa olevan suojausdiodin maajohto meni oikosulkuun. Suojausjärjestelmä toimi hyvin, eikä tästä aiheutunut vaaraa eikä magneetti vaurioitunut. 

Jotta syy oikosulkuun saatiin selville, tutkittiin liitosta muun muassa röntgenlaiteella. Diodin sijaintipaikka on vaikea, ja vaikka kuvissa näkyi hieman metallisia roskia alueella, kesti noin viikon päivät varmistaa, ettei mitään muuta ollut vialla. Alla olevassa kuvassa on LHC:n yksi magneettiyksikkö ja nuoli osoittaa missä diodi on sen sisällä.

Nyt käynnistys pääsee jatkumaan ja lopulta tämän viikon loppupuolella – mikäli uusia yllätyksiä ei tapahdu – voidaan koko kiihdytinrenkaaseen syöttää protonikimppuja kiertämään. Sen jälkeen vielä kestää noin kaksi kuukautta, ennen kuin kaikki laitteet on säädetty siten, että hiukkasia päästään törmäyttämään toisiaan vastaan. 

Tänä aikana kiihdyttimen sisällä oleva tyhjö imetään mahdollisimman hyväksi, hiukkasten ohjausmagneetit säädetään toimimaan mahdollisimman tarkasti ja koeasemat, joiden sisällä törmäykset tapahtuvat, kalibroidaan uudelleen.

Mitä on odotettavissa?

Itse kiihdyttimen lisäksi jokainen LHC:n koeasemista on huollettu ja niiden tarkkuutta on myös parannettu. Suurimmat koeasemista ovat Atlas, CMS, LHCb ja Alice, ja näistä etenkin CMS on suomalaisittain hyvin kiinnostava, koska suomalaistutkijat ovat olleet läheisesti mukana sen tekemisessä sekä sillä tehtävissä havainnoissa.

Kun LHC aloitti toimintansa, olivat fyysikot haljeta innostuksesta, sillä laitteella päästiin ensimmäistä kertaa kunnolla Higgsin hiukkasen jäljille. Se löytyikin vuonna 2012, ja niin teoriat siitä miten aineella on massaa, saivat vahvistusta. Tämä oli viimeinen vahvistamaton osa ns. Standardimallia, nykyisin laajasti fyysikoiden hyväksymää käsitystä siitä miten luonto ja sen alkeishiukkaset toimivat, ja vaikka Higgsin hiukkasta ei olisi löytynyt, olisi tuloksena ollut jotain kiinnostavaa.

Hiukkasesta kertovien merkkien lisäksi fyysikot elättelivät toivoa kaikenlaisesta muustakin, kuten “ylimääräisiä” ulottuvuuksia, mutta niitä ei löytynyt. Ja nyt monet ovat sitä mieltä, että tuskin niitä löytyy lähitulevaisuudessakaan. Voimakkaampikaan LHC ei riitä todennäköisesti sondaamaan aivan uusia energia-alueita.

Jännittävin mahdollisesti esiin tuleva asia on pimeä aine, sillä kenties esiin tulee siitä kertovia hiukkasia. Näillä näkymin LHC hyrrää nykyisessä kuosissaan aina 2020-luvulle saakka, joten aikaa löytöjen tekemiseen on hyvin. 

Lisäksi kiihdyttimessä on vielä hieman varaa energiatason nostamiseen, sillä suunnittelussa kaikki on tehty 14 TeV:n mukaan. Siihen pääseminen ei kuitenkaan vaadi enää suurta remonttia, vaan muutokset voidaan tehdä helposti huoltoseisokkien avulla; kiihdytin on joka tapauksessa poissa toiminnasta talvikuukausina, jolloin sähkö Sveitsissä on kallista…

Jumalhiukkanen sai fysiikan Nobelin

Higgs ja Englert
Higgs ja Englert
Jari Mäkinen

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.

Tilaa aihepiirin higgsin hiukkanen RSS-syöte