Higgsin bosoni, lopultakin (?)

Noni! Huhumylly pyörii eikä kukaan Cernin fyysikoista enää kovasti peittele sitä, että huomenna 13.12.2011 on se suuri päivä kun ensimmäiset viitteet Higgsin bosonin olemassaolosta julkaistaan. Huhujen mukaan Higgsin bosonin massa olisi noin 125 GeV eli noin 133 protonin massaa. Se on se massa, mikä Higgsin hidulla arveltiinkin olevan epäsuorien teoreettisten vinkkien, mm. Higgsin hidun vahvan top-kvarkki-kytkennän takia. Nyt jännittävää on oikeastaan vain se, että kuinka vahva näyttö olemassaolosta lyödään huomenna kalvolle. Se tieto kertoo samalla senkin, että kuinka kauan menee ennen kuin fysiikan oppikirjoista pitää tehdä seuraava painos. Tulokset julkistetaan huomenna klo 14 paikallista aikaa seminaarissa, jonka livefiidiä voi katsoa täältä.

Täytyy sanoa, että tää on iso juttu ihan tälläselle tiivin aineen fysikkaankin erikoistuneelle fyysikonplantulle. Syy ei ole niinkään se, että tein duunia pari vuotta CERN:in CMS-kollaboraatiossa, jonka spoke puhuu huomenna. Tää Higgsin bosoni on vain se puuttuva pala, jota ilman hitufysiikan standardimalli ei ole täydellinen. Siitä ollaan puhuttu jo 1960-luvulta lähtien, kun sen olemassaolo ennustettiin Peter Higgsin, Tom Kibblen ja muiden toimesta. Itse olen opiskelijana laskenut kvanttikenttäteoriaa skalaarikentille ja kursseilla tietenkin mainittin, että sillon KUN Higgsin hitu havaitaan Cernissä niin me tiedämme, että se on juuri näiden kenttien kvantti, joille just tehtiin paperit täyteen vaikeita laskuja ja häiriöteoriaa ja renormalisaatioita.

Higgsin kenttä ja siihen liittyvä kvantti, eli tuo Higgsin bosoni, selittävät sen miksi sähköinen vuorovaikutus on luonnossa niin vahva verrattuna heikkoon vuorovaikutukseen, joka on.. öö.. heikko ja ilmenee vain atomitason tapahtumissa eli lähinnä radioaktiivisessa beta-hajoamisessa. Sähköinen ja heikko vuorovaikutus ovat saman ilmiön, sähköheikon vuorovaikutuksen, kaksi eri puolta, joten täytyy olla joku mekanismi miten samoista lähtökohdista syntyvistä vuorovaikutuksista tuleekin täysin erilaiset. Se perimmäinen syy on siinä, että heikon vuorovaikutuksen välittäjähiukkaset, Z ja W bosonit, kytkeytyvät Higgsin skalaarikenttään, mutta sähköisen vuorovaikutuksen välittäjähitu fotoni ei kytkeydy. Tuo Higgsin skalaarikenttä on olio joka on läsnä kaikkialla, koko maailmankaikkeudessa, ja se luo Z ja W bosoneille massan, mutta fotoni jää massattomaksi. Massaa kun ei ole, ei ole myöskään energiaa, sanoo Einstein. Fotonin voi siten kvanttiteorian mukaan nyhjästä tyhjästä vaikka kuinka pitkäksi aikaa jolloin se kelpaa välittämään vuorovaikutusta vaikka toiselle puolelle maailmankaikkeutta. Massalliset Z ja W hidut eivät ole näin onnekkaita vaan joutuvat tyytymään välittämään vuorovaikutuksia aivan lyhyille kantamille atomitason maailmassa. Higgsin kentä oma kvantti on tuo Higgsin bosoni. Higgsin bosonin olemassaolo kielii siis siitä, että olemme löytäneet Higgsin kentän ja samalla voimme selittää tyydyttävästi sen miksi nämä kaksi vuorovaikutusta, sähköinen ja heikko, ovat sellaisia kuin ovat.

Z ja W bosonit löytyivät Cernissä jo 1980-luvulla, mutta tätä Higgsin bosonia on pirun vaikea havaita eikä siitä olla tähän mennessä nähty vilaustakaan. Jos hitutörmäys luo Higgsin hidun se hajoaa alta aikayksikön. Higgsin hidun elinaika riippuu sen massasta, mutta se on suurinpiirtein sitä luokkaa, että jos Higgsin hitu liikkuu noin valon nopeudella niin se pääsee vain  atomiytimen halkaisijan pituisen matkan ennen kuin viikate heilahtaa. Koeta siinä sitten havaita sellaista hiukkasta. Higgsin bosonin hajoamistuotteet ovat valitettavasti myöskin sellaisia etteivät ne ole tyypillisiä vain ja ainoastaan Higgsin bosonin hajoamiselle. Eli jos nähdään hiukkashajoaminen niin se voi olla Higgsin hitu tai sitten ei. Koskaan ei voi olla varma! Jotta ongelma ei olisi ihan liian helppo niin näyttää pahasti siltä, että Higgsin bosoni lymyää siellä energia-alueella, missä signaali yleensä hukkuu valtavaan kohinaan. Koetapa kuulla toisen kuiskaus jos korvan vieressä pauhaa valtavat kaapit.

Paha tilanne. Ongelma on siis vaikea, mutta sen ratkaisemiseksi onkin kulutettu tuhansia ja tuhansia työvuosia ja poltettu miljardeja rahaa. Syystä saattaa siis cerniläisten huulilla olla pieni hymynpoikanen huomenna, koska lyyti on viimein kuulemma alkanut kirjottaan. Pelastus tulee siinä, kun törmäytetään hiukkasia noin 350 tuhatta miljardia kertaa jolloin joissakin noista törmäyksistä muodostuu kenties Higgsin hiukkasia. Sille tyypillisiä hajoamistuotteita syntyy noissa törmäysissä pikkasen enemmän kuin tilanteessa, että Higgsin kenttää ei olekaan. Tuo energiaikkuna jossa ”ylimääräisiä” hajoamistuotteita havaitaan on aika kapea, noin 10 MeV luokkaa, joka on vain noin miljoonasosa Cernin kiihdyttimen kokonaisenergiasta. Tuossa pienessä energiaikkunassa pitäisi näkyä pieni piikki ”liikaa” törmäyksiä, joissa on syntynyt Higgsin bosonin hajoamistuotteita. Jos näin on niin voidaan sanoa, että aha! Jotta voitaisiin olla varma asiasta pitää signaalin erottua kohinasta. Kaikki ovat korostaneet, että tiistaina ei tulla esittämään dataa, jonka perusteella olisi selvää kuin pläkki, että Higgsin hitu ON olemassa. Voi edelleen olla niin, että signaali onkin kohinasta syntyvä huijarisignaali. Teknisesti sanottuna viiden sigman luottamusrajaa ei siis vielä saavuteta huomenna, mutta cerniläiset näyttävät huhujen mukaan olevan vakuuttuneita, että ens vuonna raja ylittyy ja fysiikan oppikirjat menevät uusiks. Saattaapi olla, että sen jälkeen cerniläiset ottavat viimein pienen loman.

Sokeribiitti pohjalla: Z ja W bosonit löytyivät vuonna 1983. Nobeli löydöstä jaettiin 1984. 🙂

 

Mainokset

4 responses to “Higgsin bosoni, lopultakin (?)

  1. Hieno yhteenveto ja muutenkin hyvä teksti. Jännittää niin maan perhanasti huominen tilaisuus, vaikka vasta lukion fysiikan hallitsen. Pian jatko-opintoihin, ja näitä asioita selvittämään!

  2. Kyllä se näyttää aika varmalta, että se on siellä 125 GeV:in hujakoilla. Ens vuonna vaan data pakettiin ja sitten voivat odottaa puhelua Tukholmasta. 🙂

  3. Ihan tulee nuoruus mieleen: muistan miten kavereiden kanssa tuuleteltiin koulussa sitä, että W ja Z oli julistettu löydetyiksi. Luokkakaverit katseli kummissaan, taas kerran. 🙂

  4. Sepe: Joo, mäkin muistan, että käytettiin vielä kirjoja joissa W ja Z olivat ennustettu, mutta ei vielä löydetty. Fysiikanopettaja joutui myös täydennyskoulutukseen. 😀

Kommentointi on suljettu.