Arkisto
- toukokuu 2023
- huhtikuu 2023
- maaliskuu 2023
- helmikuu 2023
- tammikuu 2023
- joulukuu 2022
- marraskuu 2022
- lokakuu 2022
- syyskuu 2022
- elokuu 2022
- kesäkuu 2022
- toukokuu 2022
- huhtikuu 2022
- maaliskuu 2022
- helmikuu 2022
- tammikuu 2022
- joulukuu 2021
- marraskuu 2021
- lokakuu 2021
- syyskuu 2021
- elokuu 2021
- kesäkuu 2021
- toukokuu 2021
- huhtikuu 2021
- maaliskuu 2021
- helmikuu 2021
- tammikuu 2021
- joulukuu 2020
- marraskuu 2020
- lokakuu 2020
- syyskuu 2020
- elokuu 2020
- kesäkuu 2020
- toukokuu 2020
- huhtikuu 2020
- maaliskuu 2020
- helmikuu 2020
- tammikuu 2020
- joulukuu 2019
- marraskuu 2019
- lokakuu 2019
- syyskuu 2019
- elokuu 2019
- heinäkuu 2019
- kesäkuu 2019
- toukokuu 2019
- huhtikuu 2019
- maaliskuu 2019
- helmikuu 2019
- tammikuu 2019
- joulukuu 2018
- marraskuu 2018
- lokakuu 2018
- syyskuu 2018
- elokuu 2018
- kesäkuu 2018
- toukokuu 2018
- huhtikuu 2018
- maaliskuu 2018
- helmikuu 2018
- tammikuu 2018
- joulukuu 2017
- marraskuu 2017
- lokakuu 2017
- syyskuu 2017
- elokuu 2017
- kesäkuu 2017
- toukokuu 2017
- huhtikuu 2017
- maaliskuu 2017
- helmikuu 2017
- tammikuu 2017
- joulukuu 2016
- marraskuu 2016
- lokakuu 2016
- syyskuu 2016
- elokuu 2016
- kesäkuu 2016
- toukokuu 2016
- huhtikuu 2016
- maaliskuu 2016
- helmikuu 2016
- tammikuu 2016
- marraskuu 2015
- lokakuu 2015
- syyskuu 2015
- elokuu 2015
- kesäkuu 2015
- toukokuu 2015
- huhtikuu 2015
- maaliskuu 2015
- helmikuu 2015
- tammikuu 2015
- joulukuu 2014
- marraskuu 2014
- lokakuu 2014
- syyskuu 2014
- elokuu 2014
- kesäkuu 2014
- toukokuu 2014
- huhtikuu 2014
- maaliskuu 2014
- helmikuu 2014
- tammikuu 2014
- joulukuu 2013
- marraskuu 2013
- lokakuu 2013
- syyskuu 2013
Rajankäyntiä
Päätin edellisen merkinnän sanomalla, että jos LHC:n näkemä kummajainen ei ole vain kohinaa, niin ”ensi vuonna juhlitaan Standardimallin hautajaisia”. Tästä saattaa tulla sellainen vaikutelma kuin uuden löytäminen tarkoittaisi Standardimallin hylkäämistä, vaikka kyse on sen laajentamisesta. Tämä onkin hyvä tilaisuus selventää teorioiden pätevyysalueen merkitystä.
Hiukkasfysiikan Standardimalli on perusajatuksiltaan yksinkertainen ja matemaattiselta rakenteeltaan hienostunut teoria, joka on kuvannut kiihdytinhavaintoja oikein jo neljä vuosikymmentä. (Neutriinojen muuttumisen toisikseen puuttuminen on pieni kauneusvirhe, joka on helppo korjata.) Se on 1900-luvun fysiikan menestystarina, josta on myönnetty lukuisia Nobelin palkintoja. Standardimalli on myös varmasti väärin.
Vaikka Standardimalli on maan päällä selittänyt kaikki havainnot, taivaalla näkyy ainakin kaksi asiaa, jotka siitä puuttuvat. Standardimalli ei sisällä pimeää ainetta eikä selitä sitä, miksi ainetta on enemmän kuin antiainetta.
Mutta Standardimallilla on toinenkin ongelma: se ei ole matemaattisesti ristiriidaton rakennelma. Korkeilla energioilla tapahtuvien hiukkastörmäysten tarkastelu osoittaa, että Standardimalli toimii vain, jos Higgsin hiukkanen ei vuorovaikuta itsensä kanssa. Higgsin kenttä voi kuitenkin antaa hiukkasille massat vain, jos Higgs vuorovaikuttaa itsensä kanssa. Koska hiukkasilla on massat, saadaan ristiriita. Karkeasti voidaan sanoa, että Standardimalli ei ole kokonainen matemaattinen rakennelma, se on vain kokoelma laskusääntöjä, jotka menevät suurilla energioilla ristiin.
Tämä voi kuulostaa huolestuttavalta. Fysiikassa on kuitenkin tavoitteena ymmärtää todellisuutta yhä syvemmin ja mallintaa havaittua maailmaa, ja matematiikka on tässä vain työkalu. Matematiikassa etsitään täsmällisiä yleispäteviä tuloksia, fysiikassa pyritään kuvaamaan tarkasti olosuhteita tietyllä rajatulla pätevyysalueella. Keskeistä ei ole se, onko teoria matemaattisesti ristiriidaton, vaan onko se fysikaalisesti tarkka, eli antaako se pätevyysalueellaan luotettavia tuloksia. Pätevyysalue voi olla hyvin laaja, kuten Standardimallin ja yleisen suhteellisuusteorian tapauksessa, mutta se on rajallinen.
On tosin mahdollista, että on olemassa kaiken teoria, jonka pätevyysalue on rajaton. Mutta vaikka kaiken teoria olisi kädessä, niin sen soveltamisessa havaintojen ymmärtämiseen käytettäisiin kuitenkin siitä vain pientä osaa, jolla voisi olla monimutkaisia emergenttejä piirteitä. Kaiken teorian löytyminen ei siis fysiikan tekemistä juuri muuttaisi.
Standardimalli on approksimaatio jonkin isomman teorian meille näkyvästä pienestä nurkasta. Ydinfysiikan esimerkki valaisee asiaa: ydinfysiikka on approksimaatio osasta Standardimallia. Standardimallissa on hiukkasia nimeltä kvarkit, jotka sitoutuvat yhteen protoneiksi, neutroneiksi ja muiksi yhdistelmähiukkasiksi. Protonit ja neutronit vastaavasti sitoutuvat atomiytimiksi. Ydinfysiikka kuvaa protonien ja neutronien vuorovaikutusta, ja se on melko sotkuinen kyhäelmä.
Ydinfysiikka ei ole ristiriidaton teoria, ja ongelmia tulee vastaan etäisyyksillä, jotka ovat protonien ja neutronien kokoa pienempiä. Jos ei tietäisi Standardimallista, niin voisi murehtia näitä ydinfysiikan matemaattisia puutteita. Standardimallin kannalta niissä ei ole mitään ongelmaa: protonien ja neutronien sisärakenteen ymmärtämiseksi pitää käsitellä kvarkkeja, joita ydinfysiikka ei tunne. Sillä, mitä teoria sanoo asioista pätevyysalueensa ulkopuolella, ei ole mitään merkitystä.
Kun Standardimalli esitettiin 1970-luvulla, sen puutteiden odotettiin tulevan pian ilmi, ydinfysiikan tavoin. Vuosikymmenten kiihdytinhavainnot ovat kuitenkin osoittaneet Standardimallin olevan suorastaan kohtuuttoman tarkka kuvaus maailmasta, eikä LHC:kään ei ole vetänyt verhoa sen taustalla olevan rakenteen yltä. Energia, jolla Standardimallin ristiriitaisuus on pakko kohdata, on paljon isompi kuin se, mihin LHC yltää, joten voi olla, että Standardimallin pätevyysalueen raja ei tule kiihdyttimissä vastaan. Jotkut hiukkasfyysikot ovatkin siirtymässä pohtimaan sitä, olisiko Standardimallin rakenteessa jotakin erityisen merkittävää sen sijaan, että pitäisivät sitä vain astinlautana juuri havaintojen ulottumattomissa oleviin teorioihin.
19 kommenttia “Rajankäyntiä”
Vastaa
Toisen kauden kummajainen
Viime tiistaina 15. joulukuuta CERNin LHC-kiihdyttimen koeryhmät ATLAS ja CMS esittivät ensimmäiset tuloksensa LHC:n toiselta kaudelta. Tomaso Dorigo ja Matt Strassler molemmat livebloggasivat tilaisuudesta.
LHC:n ensimmäinen kausi kesti syyskuusta 2008 helmikuuhun 2013, ja siitä jäi haaviin Higgsin hiukkanen, jonka löytyminen huomioitiin vuoden 2013 fysiikan Nobelin palkinnolla. Sen jälkeen kiihdytintä huollettiin ja päivitettiin toista kautta varten, joka alkoi toukokuussa 2015. Toinen kausi jatkuu vuoteen 2018 asti, ja sen aikana on tarkoitus kerätä viisi kertaa niin paljon dataa kuin ensimmäisellä kaudella. Merkittävää on myös se, että hiukkastörmäysten energia on 60% aiempaa isompi. Mitä korkeampiin energioihin törmäyksissä päästään, sitä pidemmälle kohti uuttaa fysiikkaa kurotetaan.
Ensimmäisellä kaudella saattoi luvata, että löytyy joko Higgsin hiukkanen tai jotain vielä kiinnostavampaa, mutta enää ei ole takeita siitä, että mitään uutta näkyisi koko LHC:n parikymmenvuotisen uran aikana. Ensimmäisen kauden Higgsin hiukkanen olikin kuin lohdutuspalkinto siitä, että mitään merkkejä sen enempää supersymmetriasta kuin tekniväristä kuin muustakaan tuntemattomasta ei näkynyt.
Toisen kauden datassa on nyt kuitenkin näkynyt vihje jostain aivan uudesta. Sekä ATLAS että CMS näkevät poikkeuksellisen paljon tapahtumia, jotka näyttävät siltä kuin protonia noin 750 kertaa raskaampi hiukkanen hajoaisi kahdeksi fotoniksi. Tällaista hiukkasta ei ole hiukkasfysiikan Standardimallissa, eli kyseessä olisi merkittävämpi löytö kuin Higgsin hiukkasen kohdalla.
Lupaavaa on se, että kumpikin koeryhmä näkee samanlaisen signaalin. Tämä kasvattaa sen todennäköisyyttä, että kyseessä on todellinen ilmiö, eikä vain sattuma. Toisaalta kummankaan koeryhmän datassa yksinään signaali ei ole tilastollisesti merkittävä, eikä dataa ole vielä huolella yhdistetty, joten on liian aikaista sanoa signaalia merkittäväksi.
Outoa onkin sitten kaikki muu – tai oikeastaan se, että kaikki muu näyttää normaalilta. Jos hiukkanen hajoaa fotoneiksi, niin sen odottaisi hajoavan myös W- ja Z-bosoneiksi. Niiden kohdalla ei kuitenkaan näy mitään erikoista. On helppo kehitellä hiukkasfysiikan malleja, joissa W- ja Z-bosoneita ei näy, mutta tyypillisesti niissä näkyy sitten muita signaaleja. Se, että noin raskas hiukkanen hajoaa pelkästään fotoneiksi on kummallista. Lisäksi mietityttää myös se, että ykköskaudella ei näkynyt tästä signaalista merkkiäkään, vaikka dataa oli kuusi kertaa enemmän. Useimmissa malleissa hiukkasten tuotto ei nouse äkkiseltään yli moninkertaiseksi energian noustessa vain 60%, mutta ei se mahdotonta ole.
Tämä ei tietenkään lannista teoreetikkoja, päin vastoin: ensimmäiset selitykset ilmestyivät muutaman tunnin kuluessa ilmoituksesta, ja kuudessa päivässä on ilmestynyt ainakin 39 tieteellistä artikkelia siitä, mitä fysiikkaa signaalin taustalla voi olla. Parhaan katsauksen tilanteeseen tarjoaa Jester ja kannattaa katsastaa myös Matt Strasslerin ja ATLAS-koeryhmässä työskentelevän Eilam Grossin näkökulmat.
Lisätietoa on luvassa maaliskuussa vuosittaisessa Moriondin konferenssissa, jolloin data-analyysiä on ehditty viedä pidemmälle, toivon mukaan koeryhmien data on silloin yhdistetty. LHC myös käynnistyy uudelleen keväällä, ja jos kyseessä on signaali eikä kohinaa, niin ensi vuonna juhlitaan Standardimallin hautajaisia.
Päivitys (01/01/16): CMS-koeryhmän jäsen Tomaso Dorigo kirjoittaa kuvien kera siitä, mitä 750 GeVin fotoni-ylijäämä ei ainakaan voi olla.
6 kommenttia “Toisen kauden kummajainen”
-
Olli 69v sanoo:
Hauskinta on se, että niin monet pyrkivät arvaamaan mahdollisen selityksen ja olemaan lähinnä oikeassa, jonka oikeassa olon vasta tulevaisuus paljastaa. Hyvällä arvauksella voi tulla vaikka Nobelistiksi.
-
Tähtitieteessä eletään erittäin mielenkiintoisia aikoja,uusia asioita ja löytöjä tulee niin paljon ettei perässä meinaa pysyä…
-
Paluuviite: Kosmokseen kirjoitettua | Rajankäyntiä
-
Paluuviite: Kosmokseen kirjoitettua | Kesäöiden kohinaa
Kiitos!
Tämä artikkelisi on erittäin mainio kuvaus siitä kuinka väärillä johtopäätöksillä voi tehdä aivan hyvää fysiikkaa.
Osin riveiltä, mutta varsinkin rivien välistä voi lukea, että samoista havainnoista voidaan rakentaa useita erilaisia matemaattisia malleja, jotka on hienosäädettävissä kiinnostavalla pätevyysalueella yhtä tarkoiksi.
Hienoa on se, että aina voi olla olemassa matemaattinen malli, joka kertoo asiat yhtä hyvin kuin nykyinen, mahdollisesti tarkemminkin, mutta sillä voisi olla oleellisesti laajempi pätevyysalue. Sellaisista me uteliaat ihmiset haluamme saada tietoa ja oppia syvällisemmin elinympäristöstämme.
Fysiikan tekeminen ei varmasti koskaan lopu, sillä ”kaiken teoria” on pysyvästi piilossa. Kun kerran aina pienemmän mittakaavan luotaaminen vaatii enemmän ja enemmän energiaa, niin jossain kohtaa tulee ihmiskunnalla käytännön raja vastaan, jonka jälkeen täytyy tyytyä keskiarvoistettuun malliin. Lienee siis niin, että suurin osa luonnon ilmiöistä jää ”Mahdollisuuksien verhon” taakse, ja inhimillisillä tutkijoilla on tässä näytelmässä vain Platonin luolaihmisten rooli.
Pystyykö teoreettinen fyysikko julkaisemaan säieteorian/standardimallien alalla, vai täytyykö hänellä olla matemaatikon opit.
Esimerkkeinä vaikka Helsingin yliopiston järjestämät kurssit.
Eli jos tämmöinen suuntautuminen kiinnostaa, onko parempi opiskella matemaattista fysiikkaa vai voiko pärjätä vain teoreettisen fysiikan kursseilla/opeilla?
”Energia, jolla Standardimallin ristiriitaisuus on pakko kohdata, on paljon isompi kuin se, mihin LHC yltää, joten voi olla, että Standardimallin pätevyysalueen raja ei tule kiihdyttimissä vastaan.
Korkeilla energioilla tapahtuvien hiukkastörmäysten tarkastelu osoittaa, että Standardimalli toimii vain, jos Higgsin hiukkanen ei vuorovaikuta itsensä kanssa.”
Voitko lyhyesti laittaa, mihin energiatasoihin tässä viittaat.
Opiskelija:
Jos haluaa tehdä teoreettista hiukkasfysiikkaa ja säieteoriaa, niin kannattaa opiskella ensisijaisesti teoreettista fysiikkaa. Standardimallia ja säieteoriaa tutkitaan paljon eri tavoilla, joisssakin niistä enempi matemaattinen tuntemus on tarpeen, useimmissa fysiikan kurssit muodostavat hyvän pohjan.
Lentotaidoton:
Standardimallin trivialiteettiongelma (eli se, että Higgs ei voi vuorovaikuttaa itsensä kanssa) tulee vastaan energioilla, jotka ovat paljon isompia kuin Planckin energia 10^(18) GeV, jolla kvanttigravitaation odotetaan viimeistään olevan merkittävä. Tällä ongelmalla ei siis ajatella olevan mitään merkitystä todellisuuden kannalta.
Standardimallissa tosin on toinenkin ongelma, nimittäin se, että se tyhjö, jossa nyt elämme ei ole välttämättä stabiili, ja maailmankaikkeus saattaa tunneloitua toiseen tyhjöön (jolloin aine sellaisena kun sen ymmärrääme tuhoutuu). Se energia, jolla tämä ongelma tulee vastaan, riippuu herkästi top-kvarkin ja Higgsin massoista, ja vaihtelee mittaustarkkuuden rajoissa noin 10^7 GeVistä Planckin skaalan tuolle puolen.
LHC luotaa energioita 10^4 GeViin asti.
Syksy: ”Standardimallissa tosin on toinenkin ongelma, nimittäin se, että se tyhjö, jossa nyt elämme ei ole välttämättä stabiili, ja maailmankaikkeus saattaa tunneloitua toiseen tyhjöön (jolloin aine sellaisena kun sen ymmärrääme tuhoutuu). Se energia, jolla tämä ongelma tulee vastaan, riippuu herkästi top-kvarkin ja Higgsin massoista, ja vaihtelee mittaustarkkuuden rajoissa noin 10^7 GeVistä Planckin skaalan tuolle puolen.”
Tarkoitatko tällä nykyisen Higgsin kentän (246 GeV) mahdollista tunneloitumista toiseen minimiin? Olettaisin, että Higgsin kentän ”heiluttelu” vaatii julmasti energiaa.
Lentotaidoton:
Kyllä. Jos todellinen minimi on alhaisempi kuin se, missä elämme, niin maailmankaikkeus tunneloituu sinne ennemmin tai myöhemmin. (Tosin jos tunneloitumisen alkaminen kestää todennäköisesti kauemmin kuin maailmankaikkeuden tämänhetkinen ikä, niin ei ole mitään ongelmaa.)
Lisäksi kosmisen inflaation aikana maailmankaikkeuden energiatiheys on paljon isompi kuin nykyään, ja voi olla ongelmana, että inflaation loputtua maailmankaikkeus ei päädykään oikeaan minimiin. (Kollegani ja yhteistyökumppanini ovat Helsingissä tutkineet tätä.)
Eikö ole aika epätodennäköistä, että (väärä?) tyhjö tunneloituisi laajana kenttänä toiseen minimiin? Tuntuisi realistisemmalta, että minimeille on rationaaliset perusteensa ja mekanismi noiden välillä olisi vaiheittainen, mahdollisesti paikalliseen avaruusajan kaarevuuseroon perustuva? Vrt. hienorakennevakio, jolle suurilla energioilla on mitattu suurempaa arvoa (LEP: alpha ~ 1/128) – Jos pieni offtopic sallitaan, onko sinulla tietoa mitä tuossa on todellisesti mitattu, kun on mitattu muuttunut alpha?
Eusa:
Aika-avaruuden kaarevuus tosiaan vaikuttaa tunneloitumiseen. Nykymaailmankaikkeudessa kaarevuus tosin on niin pieni verrattuna tyhjöjen energiatiheyksen tyypilliseen eroon, että sillä ei ole merkitystä. Varhaisessa maailmankaikkeudessa, inflaation aikana, kaarevuus on iso, ja se pitää ottaa huomioon, mutta silloin se on hyvin tarkkaan sama kaikkialla.
Hienorakennevakion energiariippuvuus on sen verta kaukana aiheesta, että ei siitä sen enempää.
Liittyykö näiden kollegojen tutkimus siihen, että 125 GeV Higgsin massa kuitenkin olisi erittäin lähellä stabiliteetin rajaa. Onko top-kvarkin tarkka massa määräävä tässä vai mennäänkö Standarditeorian tontin ulkopuolelle (mahd 750 GeV Higgs?). Eli onko kollegojesi esioletus Higgsin kentästä vakaa, epävakaa vai metavakaa? Kirjoitit: ”tunneloituu ennemmin tai myöhemmin”.
Liittyykö mainittu tukimus mahdolliseen Higgsperäiseen inflaatioon? Entä mustien aukkojen mahdollinen ”siemenkatalyytti” väärän tyhjön romahtamisessa? Vai stabilisoiko gravitaatio homman vaikka olisimmekin väärässä tyhjössä?
Lentotaidoton:
Se, mihin asti Standardimallin vakuumi on stabiili, riippuu lähinnä top-kvarkin ja Higgsin hiukkasen massasta. Jos Standardimalli ei ole stabiili (Planckin skaalalle asti) vaan metastabiili, niin silloin on mahdollista, että maailmankaikkeus inflaation jälkeen ei päätyisikään nykyiseen metastabiiliin tyhjöön.
Asia ei liity inflaatioon, jossa Higgs on inflatoni. Mustien aukkojen osuudesta en osaa sanoa.