Suti ja vasara

30.5.2021 klo 17.10, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Hiukkaskiihdyttimissä voi löytää uusia hiukkasia kahdella tavalla. Suoraviivaisinta on iskeä kaksi hiukkasta toisiinsa niin kovaa, että törmäyksessä syntyy etsitty hiukkanen. Toisaalta vaikka kokeessa ei syntyisi uutta hiukkasta, sen olemassaolon voi päätellä siitä sen vaikutuksesta tunnettuihin hiukkasiin.

Jo ennen kuin Higgsin hiukkanen luotiin protonien törmäyksillä vuonna 2012, sen olemassaolosta oli paljon epäsuoraa todistusaineistoa. Higgs antaa massan heikkoa vuorovaikutusta välittäville W– ja Z-bosoneille ja vaikuttaa niihin liittyviin hiukkasreaktioihin. Olisi ollut vaikea selittää muiden hiukkasten käytöstä ilman Higgsiä.

Yksi tällä hetkellä kiinnostava väylä uusien hiukkasten epäsuoraan havaitsemiseen on B-mesonit. Tiistaina kokeellinen fyysikko Mitesh Patel Iso-Britannian Imperial Collegesta puhui Helsingin yliopiston Fysiikan tutkimuslaitoksen seminaarisarjassa niiden uusimmista kuulumisista.

B-mesonit ovat yhdistelmähiukkasia, jotka koostuvat yhdestä bottom-antikvarkista ja yhdestä up-, down-, charm- tai strange-kvarkista. Kvarkit ovat alkeishiukkasia, jotka esiintyvät vain sidottuina tiloina, joita kutsutaan hadroneiksi. (Paitsi hyvin kuumissa ja/tai tiheissä olosuhteissa varhaisessa maailmankaikkeudessa ja ehkä neutronitähtien keskustassa.) Hadroneita on pääasiassa kahdenlaisia: baryoneita, joissa on kolme kvarkkia ja mesoneita, joissa on yksi kvarkki ja antikvarkki. Myös monimutkaisempia yhdistelmiä on havaittu. Protoni on ainoa pysyvä hadroni. Vapaa neutroni hajoaa 15 minuutissa, muut hadronit hajoavat sekunnin murto-osassa.

Hiukkasten hajoaminen on sattumanvarainen tapahtuma, ja voidaan ennustaa vain se, millä todennäköisyydellä mitäkin hiukkasia syntyy ja mihin suuntaan ne liikkuvat. B-mesonin tapauksessa tämä voidaan periaatteessa laskea hiukkasfysiikan Standardimallista. Ongelmana on se, että kvarkit liikkuvat ja vuorovaikuttavat hadronien sisällä monimutkaisella tavalla. Niinpä on vaikea laskea tarkasti, miten mesoni hajoaa, etenkin silloin kun lopputulosten joukossa on toinen mesoni. Ongelma voidaan ohittaa siten, että ei verrata vain havaintoja ja teoriaa, vaan myös havaintoja toisiinsa.

Esimerkiksi ei osata tarkkaan laskea B-mesonin hajoamista K-mesoniksi ja elektroni-positroni-pariksi, eikä K-mesoniksi ja myoni-antimyoni-pariksi, eikä K-mesoniksi ja tau-antitau-pariksi. Mutta kaikissa kolmessa laskussa on sama ongelmakohta, eikä se vaikuta hajoamisten suhteeseen. Voidaan siis ennustaa, että kaikki nämä hajoamiset ovat (lähes) samanlaisia, vaikka ei osata laskea sitä, millaisia ne tarkalleen ovat.

Teorian mukaan B-mesoni siis hajoaa yhtä usein kaikiksi kolmeksi pariksi, ja parin jäsenet lentävät samoihin suuntiin, riippumatta siitä ovatko ne elektroneja, myoneja vai tauta antihiukkasineen.

Tänä keväänä julkistettujen CERNin LHC-kiihdyttimen LHCb-kokeen havaintojen mukaan kuitenkin B-mesoni hajoaa useammin elektroneiksi kuin myoneiksi. Jos Standardimalli pitää paikkansa, kerätyllä datamäärällä todennäköisyys tälle on 1:500. Kuten kokeellinen hiukkasfyysikko Tommaso Dorigo huomauttaa, tästä ei voi päätellä, että on tehty löytö 99.8% todennäköisyydellä. Koska kiihdytindatasta tarkistetaan satoja tai tuhansia erilaisia yhdistelmiä, sopii odottaakin, että vastaan tulee tällaisia tapauksia. Dorigo onkin valmis lyömään tuhat Yhdysvaltojen dollaria vetoa, että kyseessä ei ole uusi hiukkanen. Hiukkasteoreetikko Jester on sen sijaan varovaisen optimistinen.

Puheessaan Patel kuitenkin korosti sitä, että tämä ei ole ainoa B-mesonien hajoamiseen liittyvä poikkeama. B-mesoni hajoaa myoni-antimyoni-pariksi ennustettua harvemmin. Koska tässä hajoamistuotteissa ei ole mukana K-mesonia, tämän yleisyyden voi ennustaa tarkasti.

Kun laittaa poikkeamat yhteen, todennäköisyys sattumalle on naiivisti laskettuna 1:16 000, mikä alkaa olla vakuuttavaa. Lisäksi on havaittu, että syntyneiden hiukkasten suunnat poikkeavat Standardimallin ennusteista, mutta tämän kohdalla ennusteiden epävarmuus on toistaiseksi vielä iso.

Havainnoille olisi suhteellisen helppo selitys. Standardimallissa B-mesoni hajoaa samalla tavalla elektroneiksi, myoneiksi ja tauksi sen takia, että hajoamista välittävä Z-bosoni kytkeytyy samalla tavalla kaikkiin kolmeen hiukkaseen. Tämän voi muuttaa ottamalla mukaan uuden välittäjähiukkasen, joka vuorovaikuttaa eri tavalla näiden eri hiukkasten kanssa. Tällaiselle hiukkaselle on annettu mielikuvituksekas nimi Z’-bosoni. Toinen mahdollinen vaihtoehto on leptokvarkin nimellä tunnettu hiukkanen, joka muuttaa elektroneja, myoneja ja tauta kvarkeiksi ja toisinpäin (mikä on Standardimallissa mahdotonta).

Kuten tavallista, ongelmana on selittää, miksi muissa havainnoissa ei ole vielä näkynyt mitään. Jos kyseessä on uusi hiukkanen, sen massa on luultavasti hieman LHC:n nykyisten rajojen yläpuolella, eli se voi löytyä lähitulevaisuudessa. Mutta myös B-mesonien hajoamisesta saadaan lisää tietoa. Ehkä kiinnostavinta on se, että ensi maaliskuussa alkaa LHC:n kolmas havaintokausi, jonka aikana mitataan ensimmäistä kertaa B-mesonien hajoamista tau-antitau-pareiksi. Jos nyt esitetyt selitykset pitävät paikkansa, näiden hajoamisten pitäisi erota elektronihajoamisista vielä enemmän kuin myonihajoamisten.

Jotkut luonnehtivat viime kuussa julkistettuja tuloksia myonien magneettisesta momentista viimeiseksi toivoksi nähdä merkkejä Standardimallin tuonpuoleisesta hiukkasfysiikasta. Mesonien mittaukset osoittavat, että on olemassa toinenkin toivon reitti.

LHC:n käynnistyessä korostettiin sen törmäysten ennennäkemättömän korkeaa energiaa ja monet odottivat suuria löytöjä. Huomio kiinnittyi uusia hiukkasia etsiviin törmäyskokeisiin ATLAS ja CMS. Niiden dataa käytetään myös B-mesonien tutkimisessa, mutta nyt keskiöön on siirtynyt LHCb:n mittaamat pienet vaikutukset matalan energian tapahtumiin. B-mesonien hajoamisessa syntyneiden hiukkasen energiat ovat yli tuhat kertaa pienempiä kuin LHC:n protonitörmäyksissä. Aika näyttää, voittaako suti vasaran, vai jääkö Higgsin hiukkanen LHC:n ainoaksi löydöksi.

6 kommenttia “Suti ja vasara”

  1. Lentotaidoton sanoo:

    Niin tässä LHC:n tapauksessa hämminkiä ja sekaannusta yleisön silmissä on aiheuttanut sekä remontista että koronasta johtuneet viivytykset. Nythän LHC ei pyöri, eli nuo ilmoitetut tulokset perustuvat Run 2:n dataan. Tutkijoilla/teoreetikoilla on siis ollut hyvää aikaa syventyä ”vanhaan” dataan.

    Remontin jälkeinen aikataulu on venynyt eri syistä. Nyt Run3 alkaa maaliskuussa 2022 (kuten Räsänen sanoo), tosin koepyöritykset alkavat jo syyskuussa 2021. Tuolloin koko kone on aivan toista kuin Run kakkosen aikaan. Jos tämäkään ensi vuonna alkava kolmonen ei tuo selvyyttä mahdolliseen Standarditeorian ylityksiin niin saamme odottaa aina vuoteen 2027, jolloin totaalisti uudistettu High-Luminosity LHC (HL-LHC) alkaa operoimaan.

  2. Lentotaidoton sanoo:

    Sekä leptokvarkit että Z´bosonit näkyvät olevan oikea uusi ”tarha” mahdollisuuksia Standarditeorian ukjopuolelle. Ehkä tosiaan tulevat LHCn uudistukset antavat jotain suuntaa:

    Leptoquarks (LQs) are hypothetical particles that would interact with quarks and leptons. Leptoquarks are color-triplet bosons that carry both lepton and baryon numbers. Their other quantum numbers, like spin, (fractional) electric charge and weak isospin vary among theories. Leptoquarks are encountered in various extensions of the Standard Model, such as technicolor theories, theories of quark-lepton unification (e.g., Pati–Salam model), or GUTs based on SU(5), SO(10), E6, etc. Leptoquarks are currently searched for in experiments ATLAS and CMS at the Large Hadron Collider in CERN.

    In particle physics, W′ and Z′ bosons (or W-prime and Z-prime bosons) refer to hypothetical gauge bosons that arise from extensions of the electroweak symmetry of the Standard Model. They are named in analogy with the Standard Model W and Z bosons.
    Types of Z′ bosons
    Various models of physics beyond the Standard Model predict different kinds of Z′ bosons.
    Models with a new U(1) gauge symmetry
    The Z′ is the gauge boson of the (broken) U(1) symmetry.
    E6 models
    This type of model contains two Z′ bosons, which can mix in general.
    Topcolor and Top Seesaw Models of Dynamical Electroweak Symmetry Breaking
    Both these models have Z′ bosons that select the formation of particular condensates.
    Little Higgs models
    These models typically include an enlarged gauge sector, which is broken down to the Standard Model gauge symmetry around the TeV scale. In addition to one or more Z′ bosons, these models often contain W′ bosons.
    Kaluza–Klein models
    The Z′ boson are the excited modes of a neutral bulk gauge symmetry.
    Stueckelberg Extensions
    The Z′ boson is sourced from couplings found in string theories with intersecting D-branes .

    1. Martti V sanoo:

      Leptokvarkit esiintyvät tosiaan GUT teorioissa. Mielenkiintoista jos jotain sen ennustuksia saadaan LHC kokeilla esiin. Kokeet protonin hajoamisesta ei ole toistaiseksi tuottanut tuloksia.

  3. Martti V sanoo:

    Selkeä kirjoitus. Leptokvarkkien suora havainnointi taitaa olla ulottumattomissa. Nehän hajovat siis kvarkeiksi ja leptoneiksi ennen higgs kentän jäätymistä. Voitko avata hieman miten leptokvarkit selittäisivät merkinnässä esitettyjä tuloksia.?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Standardimallissa sähkömagneettinen vuorovaikutus ja värivuorovaikutus eivät välitä reaktioita, missä tau, myoni tai elektroni muuttuisivat toisikseen. Heikon vuorovaikutuksen W- ja Z-bosonit tekevät niin. Ne kytkevät kaikkiin noihin kolmeen hiukkaseen samalla tavalla.

      Spekulatiivinen lepokvarkki tai X-bosoni välittää reaktioita, missä kvarkit ja leptonit muuttuvat toisikseen. Standardimallissa ei ole tällaisia reaktioita. Kuten Q- ja Z-bosonit, X-bosoni tyypillisesti kytkeytyy samalla tavalla kaikkiin kolmeen yllämainittuun hiukkaseen. Tällöin sen massan täytyy olla hyvin korkea, koska muuten se välittää reaktioita, missä protoni hajoaa koska yksi kvarkki muuttuu elektroniksi ja muiksi hiukkasiksi.

      Näitä havaintoja selittävissä malleissa on kolme perhettä leptokvarkkeja, yksi elektronille, yksi myonilla ja yksi taulle. Elektroneihin kytkeytyvän leptokvarkin massan pitää yhä olla iso, mutta myonin ja taun leptokvarkkien massat voivat olla pieniä. Havaintoihin sopii, että myoniin kytkeytyvän leptokvarkin massa olisi noin 40 TeV. Tällainen leptokvarkki muuttaisi b- ja s-kvarkkien ja myonien vuorovaikutusta sopivan määrän.

  4. Lentotaidoton sanoo:

    Eli tuo 40 TeV olisi pyöreesti 40 000 kertaa protonin massa! Aika jötikkä. Toisaalta tuo X-bosonin massa 10^15 GeV:kin on älytön eli 10^12 TeV. Taitaa insinööreillä olla monta mutteria kiristettävänä tulevaisuudessa.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *