Arkisto

Kauneusvirheen korjaaminen

31.8.2016 klo 18.34, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Kun CERNin LHC-kiihdytin käynnistyi vuonna 2009, fyysikot saattoivat olla varmoja, että haaviin jää jotain merkittävää. Hiukkasfysiikan Standardimalli ei toimi LHC:n luotaamilla energioilla ilman Higgsin hiukkasta. Niinpä oli selvää, että LHC löytää Standardimallin Higgsin hiukkasen, jotain ennestään tuntematonta tai sekä että. Tylsin vaihtoehto voitti: Higgs löytyi, mutta mistään Standardimallin tuonpuoleisesta ei ole näkynyt jälkeäkään.

Standardimallin tuonpuoleista fysiikkaa on varmasti olemassa ainakin siksi, että Standardimalli ei pysty selittämään aineen ja antiaineen välistä eroa, eli baryogeneesiä, eikä pimeää ainetta. (Eikä myöskään neutriinojen massoja, joista on annettu Nobelin palkintojakin.) Pitkään myös ajateltiin, että kosmiseen inflaatioon tarvitaan jokin uusi kenttä, mutta nyt näyttää siltä, että Higgs pystyy hoitamaan homman.

Yleensä ajatellaan, että Standardimallin tuonpuoleinen fysiikka se on pysynyt piilossa siksi, että se liittyy raskaisiin hiukkasiin, joiden tuottamiseen tarvitaan korkeita energioita. Maailma on rakentunut hierarkisesti siten, että pienempään mittakaavaan ja massiivisempiin hiukkasiin käsiksi pääseminen edellyttää energian tikapuilla nousemista: atomeja voi hajottaa tulitikulla, mutta atomiydinten rikkomiseen tarvitaan raskaampaa kalustoa, ja kvarkkien näkeminen ydinten sisällä vaatii niiden iskemistä toisiinsa kiihdyttimillä.

Mutta on toinenkin mahdollisuus: ehkä hiukkaset eivät ole jääneet näkemättä siksi, että ne ovat raskaita, vaan siksi, että ne vuorovaikuttavat heikosti. Tällöin baryogeneesin ja pimeän aineen voisi selittää vetoamatta Standardimallia korkeampaan energiaskaalaan. Tämä on perusajatus Takehiko Asakan ja Mikhail Shaposhnikovin ehdotuksessa nimeltä nuMSM, eli neutriinojen Minimaalinen Standardimalli. Nimi lienee tarkoituksella valittu samantyyliseksi kuin MSSM, Minimaalinen Supersymmetrinen Standardimalli. MSSM on suosituin (ja ehkä yksinkertaisin) malli, joka toteuttaa idean siitä, että baryogeneesi ja pimeä aine ovat piilossa korkeammilla energioilla, ja vastaavasti nuMSM on yksinkertaisin malli, jossa vedotaan sen sijaan vuorovaikutuksen heikkouteen.

Nimen mukaisesti nuMSM:n keskeiset näyttelijät ovat neutriinoja, mutta eivät sellaisina kuin me ne tunnemme. Tavallisetkin neutriinot ovat hyvä esimerkki fysiikasta, joka on ollut piilossa vuorovaikutusten heikkouden takia. Kuten elektronit ja protonit, neutriinot ovat stabiileja, eli ne eivät koskaan hajoa. Neutriinot ovat toiseksi runsaslukuisimpia hiukkasia maailmankaikkeudessa, niitä on 83% fotonien lukumäärästä, noin miljardi jokaista protonia ja elektronia kohden, 341 kappaletta kuutiosenttimetrissä. Standardimallissa on kolmenlaisia neutriinoja, ja niistä ensimmäinen nähtiin suoraan vasta vuonna 1956, toinen 1962 ja viimeinen 2000, vaikka vihjeitä ja epäsuoria todisteita oli jo aiemmin.

Neutriinojen havaitseminen on vaikeaa, koska niillä ei ole sähkövarausta eikä värivarausta. Niinpä niitä ei voi nähdä eikä koskea, eivätkä ne ole atomiydinten rakennuspalikoita. Tavalliset neutriinot tuntevat kuitenkin Standardimallin kolmannen vuorovaikutuksen, eli heikon vuorovaikutuksen. Sen kautta niitä syntyy ydinten hajoamisissa, mitä kautta niistä alun perin saatiinkin vihiä.

Koska neutriinot ovat näkymättömiä massiivisia hiukkasia, niiden uumoiltiin aikoinaan selittävän pimeän aineen, mutta on osoittautunut, että ne ovat siihen liian kevyitä. (Baryogeneesiin niistä ei ole mitään apua.) nuMSM:ssä Standardimalliin lisätään kolmen tutun rinnalle kolme uutta neutriinoa, jotka ovat Higgsin hiukkasta kevyempiä. Hiukkaskiihdyttimistä ja kevyiden alkuaineiden synnystä kuitenkin tiedetään, että niillä ei tällöin voi olla heikkoja vuorovaikutuksia, muuten ne olisi jo havaittu. Koska uudet neutriinot eivät tunne mitään Standardimallin vuorovaikutuksista, niitä sanotaan steriileiksi.

Steriilit neutriinot eivät ole kummallinen ajatus. Standardimallissa kaikista ainehiukkasista paitsi neutriinoista on tavallaan neljä versiota. Voi ajatella, että hiukkasen lisäksi on olemassa antihiukkanen, ja toinen tekijä kaksi liittyy ominaisuuteen nimeltä spin, josta ei tässä sen enempää. Jos neutriinoillekin antaa kaksi uutta komponenttia, niin uudet komponentit voi käsittää uusiksi hiukkasiksi, steriileiksi neutriinoiksi. Neutriinoiden massojen antamisen myötä ne tulevatkin kuvaan varsin luontevasti. Itse asiassa Standardimalliin olisi kenties alun perinkin pitänyt ottaa mukaan neutriinoiden massat ja steriilit neutriinot.

nuMSM:ssä kevyin steriili neutriino on vastuussa pimeästä aineesta, ja kaksi muuta selittävät aineen ja antiaineen välisen epäsuhdan. Vaikka steriilit neutriinot eivät tunne Standardimallin vuorovaikutuksia, ne voivat muuttua tavallisiksi neutriinoiksi ja toisin päin. Baryogeneesi toimii nuMSM:ssä siten, että kun steriilit neutriinot muuttuvat varhaisessa maailmankaikkeudessa tavallisiksi neutriinoiksi, niin syntyy hieman enemmän neutriinoja kuin antineutriinoja, ja tämä ero sitten siirtyy Higgsin kentän jäätyessä muulle aineelle, ja lopulta protoneille. Mekanismin käytäntö on hyvin sotkuinen, joten ei mennä siihen tässä.

Tämä herättää myös kysymyksen siitä, että eikö tavallisten neutriinojen muuttumista steriileiksi sitten ole nähty kokeissa? Neutriinoja kuitenkin tutkitaan nykyään tarkasti, kuten surullisenkuuluisa OPERA teki tunnetuksi. Tällaisesta muuttumisesta on itse asiassa ollut joitakin ristiriitaisia vihjeitä, mutta ilmiötä ei ole koskaan luotettavasti havaittu, joten neutriinojen ja steriilien neutriinojen muutostodennäköisyyden pitää olla erittäin pieni.

Steriili neutriino voi myös hajota tavalliseksi neutriinoksi ja fotoniksi. Koska maailmankaikkeudessa on paljon pimeä ainetta, niin taivaalla pitäisi näkyä hajoamisesta tulevia röntgensäteitä. Jotta nuMSM toimisi, mutta kevyintä steriiliä neutriinoa ei olisi vielä näkynyt, sen massan pitää olla noin satatuhatta kertaa protonin massaa pienempi, ei enempää eikä vähempää. Koska sen hajoamisessa syntyvän röntgensäteen energia on puolet sen massaan liittyvästä energiasta, tiedetään melko tarkasti mitä etsiä. Kuten muiden pimeän aineen kandidaattien annihilaation kanssa, ongelmana on kuitenkin se, että taivaalla on kaikenlaista säteilyä, eikä ole yksinkertaista setviä, mikä siitä on peräisin pimeästä aineesta ja millä on arkisempi alkuperä.

Steriilien neutriinoiden näkeminen hiukkaskiihdyttimissä on vaikeaa, koska ne vuorovaikuttavat niin heikosti. Sitä varten tarvitaan kokeita, joissa ei panosteta törmäysten energiaan vaan lukumäärään, ja jotka on suunniteltu havaitsemaan steriilien neutriinoiden signaaleja, jotka ovat erilaisia kuin raskaiden hiukkasten, joihin LHC keskittyy. Mutta niitä voi etsiä myös galaksien muotoja tutkimalla.

Jos pimeä aine on nuMSM:n steriilejä neutriinoita, niin se saattaa selittää, miksi maailmankaikkeudessa nähdään vähemmän kääpiögalakseja kuin mitä simulaatioiden perusteella odottaisi. Steriilit neutriinot voivat auttaa asiaa, koska ne liikkuvat nopeasti ja pyyhkivät kääpiögalaksien siemeninä toimivia klimppejä aineen jakaumassa pois ennen kuin ne ehtivät kasvaa. Ne voisiat samaan tapaan tasoittaa galaksien keskustojen tiheyttä, mikä vaikuttaa sekin olevan todellisuudessa pienempi kuin simulaatioissa.

Tähän on tosin laitettava sellainen iso varaus, että ilmeisesti nämä piirteet on mahdollista selittää ilman mitään ylimääräistä fysiikkaa, kunhan vain tekee realistisempia simulaatioita. Mutta asian voi kääntää toisin päin: mitä vähemmän tilaa galakseissa on ylimääräiselle sotkemiselle, sitä helpompi on havaita tai sulkea pois uusia hiukkasia, jotka vaikuttaisivat niihin.

nuMSM:n steriili neutriino taitaa olla lempikandidaattini pimeäksi aineeksi. nuMSM on hyvin motivoitu, yksinkertainen ja vieläpä kokeellisesti lähiaikoina varmennettavissa tai poissuljettavissa. Siinä missä supersymmetriassa ja teknivärissä otetaan mukaan uudenlainen teoreettinen idea, jolla on kauaskantoisia seurauksia, kolmen steriilin neutriinon lisäämistä voi pitää vain Standardimallin kauneusvirheen korjaamisena. nuMSM:ssä tästä pienestä lisästä otetaan kaikki irti.

Hiukkasfysiikassa on totuttu siihen, että korkeammilla energioilla tulee aina vastaan paljon uutta fysiikkaa, esimerkiksi suunnitelmat seuraavista kiihdyttimistä perustuvat siihen odotukseen, että niistä avautuu uusi rikas ilmiömaailma. nuMSM menee eri suuntaan, eikä lupaile keidasta seuraavan kummun taakse. Jos tavoitteena on havaintojen selittäminen, niin nuMSM on kelpo paketti, mutta kun halutaan käyttää havaintoja todellisuuden ymmärtämiseen syvemmällä tasolla, niin se tuntuu pettymykseltä. Eräs kollegani totesikin, että nuMSM on hieno idea, ja hän todella toivoo, että se ei pidä paikkaansa.

22 kommenttia “Kauneusvirheen korjaaminen”

Lentotaidoton sanoo:

31.8.2016 23:11

Räsänen: Voi ajatella, että hiukkasen lisäksi on olemassa antihiukkanen, ja toinen tekijä kaksi liittyy ominaisuuteen nimeltä spin, josta ei tässä sen enempää. Jos neutriinoillekin antaa kaksi uutta komponenttia, niin uudet komponentit voi käsittää uusiksi hiukkasiksi, steriileiksi neutriinoiksi

Vaikka et tässä lähtenyt selvittämään asiaa sen enempää, uskoisin että yleisenä toivomuksena olisi valaista hieman myös asian tätä puolta asiantuntijan suulla. Eli on kyse fermionien spineistä. Tiedämme, että heikot vuorovaikutukset (toisin kuin muut vuorovaikutukset) kytkeytyvät vain vasenkätisiin hiukkasiin (ja oikeakätisiin antihiukkasiin). Eli kiraalisuus.

Selitä helikalisuus eli spin mitattuna sen liikesuuntaisen akselin mukaan. Tilanne fermioneilla ennen ja jälkeen symmetriarikon (massaton/massallinen). Selitä myös pariteetin rikkoutuminen. Eli oikeakätisten neutriinojen kysymys.

Selitä myös asiaan liittyvät termit: Diracin versus Majoranan massatermi (eli onko neutrino oma antihiukkasensa, neutriinoton kaksoibeetahajoaminen). Liittyy myös nk kiikkulautamekanismi-teoriaan.

Nämä ovat ehkä niin laajoja kysymyksiä, että näille tarvittaisiin aivan oma stoorinsa? Toivottavaa kuitenkin olisi, että se stoori kuultaisiin.

Vastaa
Syksy Räsänen sanoo:

1.9.2016 13:31

Lentotaidoton:

Voi olla, että kirjoitan vielä spinistä, mutta kätisyys on mielestäni tänne liian tekninen aihe. Kiikkulautamalliin neutriinoiden massoille voisi kenties joskus palata.

Vastaa
Jyri Tynkkynen sanoo:

1.9.2016 17:35

Yhdyn täysin Lentotaidottoman pyyntöihin.

Vastaa
Mika sanoo:

1.9.2016 22:30

Itseänikin kiinnostaisi kuulla – vaikka sitten vähän teknisempikin – kirjoitus spiniin liittyen.

Kirjoitit artikkelissa, että ”kun steriilit neutriinot muuttuvat varhaisessa maailmankaikkeudessa tavallisiksi neutriinoiksi, niin syntyy hieman enemmän neutriinoja kuin antineutriinoja”. Oletan, että tuo nuMMS malli antaa tälle tapahtumalle järkeenkäyvän ja enemmän tai vähemmän koherentin selityksen, miksi näin käy? Muutenhan se ei selittäisi sen enempää aineen ja antiaineen epäsuhdasta kuin aiemmatkaan teoriat?

Vastaa
Syksy Räsänen sanoo:

1.9.2016 22:43

Mika:

Lisäänpä spinin mahdollisesti tulevien aiheiden listaan.

Jo Standardimallissa aine ja antiaine käyttäytyvät eri tavoin, mutta eivät tarpeeksi vahvasti, että se selittäisi niiden havaitun eron suuruuden. nuMSM:ssä näitä eroja aineen ja antiaineen välille tulee lisää, kun neutriinoja tulee useampia.

Havaitun epäsymmetrian selittäminen tosin vaatii aivan tietynlaista suhdetta kahden raskaimman neutriinon massoille (niiden täytyy olla lähes samat suurella tarkkuudella), mikä on toisaalta mallin selkeä ennuste.

Vastaa
Lentotaidoton sanoo:

2.9.2016 12:20

Niin tuo Bezrukovin ja Shaposhnikovin malli tosiaan ”lupaa” paljon (eikä mitään uutta energiaskaalaa sähköheikon ja Planckin välissä tarvita):

”The inflation mechanism we discussed has in fact a general character and can be used in many extensions of the SM. Thus, the νMSM of [36, 37] (SM plus three light fermionic singlets) can explain simultaneously neutrino masses, dark matter, baryon asymmetry of the universe and inflation without introducing any additional particles (the νMSM with the inflaton was considered in [30]). This provides an extra argument in favour of absence of a new energy scale between the electroweak and Planck scales, advocated in [32]”

Vastaa
1. Syksy Räsänen sanoo:
  
  4.9.2016 20:32
  
  Higgs-inflaatio ja nuMSM ovat erillisiä ideoita. Higgs-inflaatio on Bezrukovin ja Sahposhnikovin käsialaa, ensiksi mainittu ei olllut nuMSM:n kehittäjiä.
  
  Vastaa
Eusa sanoo:

2.9.2016 22:59

Kyllähän neutriinoissa on potentiaalia yhtenästeorian perusmekanismiksi, sitä mahdollisuutta ei käy kiistäminen. Kiitos hyvästä katsauksesta, täytyypä perehtyä onko miten komponenttisuutta idean taustalla…

Alustavasti kirjoittajien tuotantoa selailtua näyttäisi, että ajatus Higgsin yleistämiseksi gravitaatioon kaiken massan mekanismin osana oli mukana työkalupakissa ja vaikutti lupaavalta…

Vastaa
1. Syksy Räsänen sanoo:
  
  2.9.2016 23:12
  
  ”Alustavasti kirjoittajien tuotantoa selailtua näyttäisi, että ajatus Higgsin yleistämiseksi gravitaatioon kaiken massan mekanismin osana oli mukana työkalupakissa”
  
  Ei ollut.
  
  Vastaa
  1. Eusa sanoo:
    
    3.9.2016 05:46
    
    Miten on tulkittava ”An essential requirement is the non-minimal coupling of the Higgs scalar field to gravity.” ?
    
    Vastaa
    1. Syksy Räsänen sanoo:
      
      4.9.2016 20:30
      
      Se liittyy Higgsin käyttämiseen inflaatiossa, ks. https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/kaanteita-taivaankannen-selityksessa/ .
      
      Koska tämä ei juuri liity aiheeseen, niin ei siitä sen enempää.
      
      Vastaa
Pentti S. Varis sanoo:

6.9.2016 21:01

Jos tutkija olettaa ”uusien” hiukkasten ilmestyvän hyvin suuria energioita käytettäessä, niin ovatko nämä hiukkaset tai niiden matemaattiset(?) muodot ennen tarvittavan energian tuloa hänen mielestään jollain tavalla koodattuja vakuumin substanssiin? Ja onko vakuumi niitä täynnä, niin, että tapahtuipa energiaa tuova törmäys missä tahansa, uusi hiukkanen voi ilmetä?

Vastaa
Syksy Räsänen sanoo:

7.9.2016 16:27

Pentti S. Varis:

Hiukkaset ovat kenttien paikallisia tihentymiä, niitä vastaavat kentät ovat aina olemassa. Hiukkastörmäyksissä kentät häiriintyvät, ja niihin syntyy hiukkasta vastaava aalto.

Ks. http://www.tiede.fi/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/naennainen_todellisuus

Vastaa
Mika sanoo:

9.9.2016 21:10

Pahoittelut aiheen viereen menevästä kommentista, mutta koska täälläkin ihmiset välillä ovat esittäneet hyvinkin monipuolisia kysymyksiä joihin Syksy ei aina blogin aihepiirissä pysyäkseen halua vastata, niin ajattelin tuoda esiin tällaisen palvelun olemassaolon: http://backreaction.blogspot.fi/p/talk-to-physicist_27.html

Vastaa
Paluuviite: Kosmokseen kirjoitettua | Pikkuhyrrien kertomaa
Paluuviite: Kosmokseen kirjoitettua | Totalitaristinen periaate ja vanhan ajan romantiikka
Paluuviite: Kosmokseen kirjoitettua | Nynnyjen hautajaiset
Paluuviite: Kosmokseen kirjoitettua | Myötä- ja vastoinkäymisissä
Paluuviite: Kosmokseen kirjoitettua | Luodin jäljet
Paluuviite: Kosmokseen kirjoitettua | Eilispäivän rohkeutta
Paluuviite: Kosmokseen kirjoitettua | Kun kuplat kohtaavat
Paluuviite: Kosmokseen kirjoitettua | Paikan täyttäminen

Vastaa Peruuta vastaus

Fysiikkaa runoilijoille

30.8.2016 klo 18.31, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Luennoin tänä syksynä Helsingin yliopistolla kurssin Fysiikkaa runoilijoille. Luennot ovat päärakennuksen salissa 12, alkaen ensi viikon tiistaina 6.9. kello 12. Kari Enqvist luennoi vuonna 2004 samannimisen kurssin. Tämä on variaatio samasta teemasta, eräänlainen opastettu retki fysiikan maailmaan.

Kyseessä on humanistisen tiedekunnan kurssi, joka on suunnattu heille, jotka eivät ole luonnontieteilijöitä eivätkä matemaatikkoja, mutta haluavat saada kuvan fysiikan käsitteistä, ilmiöistä ja maailmankuvallisesta merkityksestä. Aiheisiin kuuluu Newtonin klassinen mekaniikka, suppea suhteellisuusteoria, kvanttimekaniikka, kosmologia, kvanttikenttäteoria, hiukkasfysiikka ja yritykset kohti kaiken teoriaa. Tieteen historiaa ja filosofiaakin vähän käsitellään, mutta kyseessä on fyysikon kuvaus fysiikan teorioiden kehityksestä ja sisällöstä, ei kattava tieteenhistoriallinen katsaus.

Yliopistojen niin kutsutun rakenteellisen kehittämisen takia ensi viikolla alkavien humanistisen tiedekunnan kurssien tietoja ei vielä ole yliopiston sivuilla, joten sanaa sopii levittää asiasta mahdollisesti kiinnostuneille

6 kommenttia “Fysiikkaa runoilijoille”

Kaarina Karttunen sanoo:

30.8.2016 23:07

Aion osallistua, jos mahdun mukaan. Hieno mahdollisuus !

Vastaa
Mari Kämäräinen sanoo:

31.8.2016 12:01

Hei,
Ovatko nämä luennot avoimia yleisölle?

Olen todella kiinnostunut tästä luentosarjasta, mutta en ole enää opiskelija.

Vastaa
Syksy Räsänen sanoo:

31.8.2016 12:51

Mari Kämäräinen:

Ovat kyllä, kunhan saliin mahtuu. Tervetuloa!

Vastaa
Eija Mustonen sanoo:

31.8.2016 18:29

Ilmoittaudun luennoille

Vastaa
Syksy Räsänen sanoo:

31.8.2016 18:31

Eija Mustonen:

Sikäli kun kurssia suorittaa, pitää ilmoittautua WebOodi kautta, ks. kotisivu. (Kunhan kurssi vain sinne tulee!) Muutoin ei tarvitse ilmoittautua.

Vastaa
Kille sanoo:

31.8.2016 20:22

Toiveissa elelen, että joskus tällaiset mahtavat luennot saataisiin striimattua meidän kaikkien kuultaviksi! Siis meidän, jotka asumme täällä ”muualla” Suomessa, eli maalla. Mahtavaa silti, että tällaisia luentoja on. Nauttikaa te, jotka pääsette paikalle! 🙂 Kiitos Syksy sinulle tieteen tuomisesta lähellemme noin muutenkin. Arvostan.

Vastaa

Vastaa Peruuta vastaus

Sattuman lapset

29.8.2016 klo 16.27, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Puhun sunnuntaina 4.9. kello 14 Oulun vapaa-ajattelijoiden tilaisuudessa otsikolla ”Sattuman lapset: monimutkaisuuden kasvu maailmankaikkeudessa”. Tieteenfilosofian tutkija Inkeri Koskinen puhuu samassa tilaisuudessa aiheesta ”Historiaa ja näennäishistoriaa”. Tilaisuuteen on vapaa pääsy, mutta tarjoilun takia pyydetään ilmoittamaan tulosta etukäteen osoitteeseen tok@penguincave.org.

Vastaa Peruuta vastaus

Neljä vuosikymmentä erämaassa

10.8.2016 klo 03.02, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Viime viikolla alkaneessa ICHEP-konferenssissa on julkaistu CERNin LHC-kiihdyttimen kokeiden ATLAS ja CMS uusimmat tulokset. LHC on nostanut törmäysten tahtia: toukokuusta kesäkuuhun se tuplasi vuoden 2015 datamäärän, ja ehti vielä viime viikolla valmistuneeseen analyysiin tuplata sen taas.

Odotetuin ilmiö oli viime joulukuun vihjeet uudesta hiukkasesta: ATLAS ja CMS olivat nähneet poikkeuksellisen 750 GeVin fotonipareja, mikä saattoi kieliä uuden, tuntemattoman hiukkasen hajoamisesta. Kirjoitin joulukuussa seuraavasti:

”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.”

Totesin myös, että ”outoa onkin sitten kaikki muu”, koska hiukkasesta ei näkynyt jälkeäkään muuten kuin ylimääräisinä fotoneina. Yleensä jos hiukkanen voi hajota kahdeksi fotoniksi, niin se voi hajota myös muunlaisiksi hiukkasiksi. Esimerkiksi Higgsin löydettiin myös kahdeksi Z-hiukkasen hajoamisen kautta. Maaliskuussa huhuttiin, että uusi hiukkanen ehkä julistettaisiin löydetyksi, mutta vaikka uusi data tuki havaintoa, se ei vielä riittänyt varmuuteen. Totesin, että ”viimeistään vuoden loppuun mennessä saataneen varmuus siitä, onko kyseessä löytö vai yksi monista vääristä vihjeistä siitä, mitä on Standardimallin tuolla puolen”. Kesäkuussa huhujen suunta oli kääntynyt siihen, että taas joudutaan pettymään.

Uusi data on nyt selvittänyt asian: uutta hiukkasta ei ole. Datassa ei näy mitään erityistä 750 GeVin energialla, eikä missään muuallakaan. Kyse oli vain kohinasta, sen takana ei ole signaalia.

Mahdollinen hiukkanen sai paljon julkisuutta, ja siitä tuli hiukkasteoreetikkojen pääasiallinen mielenkiinnon kohde puolen vuoden ajaksi. Aiheesta julkaistiin noin sata artikkelia kuukaudessa, ensimmäiset niistä oli jätetty vain muutaman tunnin kuluttua siitä kun tulokset oli julkistettu.

CMS-koeryhmän jäsen Tomaso Dorigo on sitä mieltä, että kokeellisten fyysikoiden olisi pitänyt olla varovaisempia tulostensa julkistamisen kanssa, mutta mielestäni kokeilijoissa ei ole tässä vikaa. Kun OPERA-koe piti vuonna 2011 lehdistötilaisuuden valoa nopeammista neutriinoista (jotka pian todettiin mittauslaitteiden virheeksi), saattoi alun alkujaankin sanoa, että heidän olisi pitänyt ensin setviä asiaa tarkemmin. Kun BICEP2 väitti vuonna 2014 havainneensa gravitaatioaaltoja, tulos näytti alkuun hyvältä, mutta ongelmia tuli pian esille, niin että saattoi sanoa ryhmän vetäneen mutkia turhan suoriksi. Sen sijaan ATLAS ja CMS tekivät nyt kaiken oikein: ne eivät väittäneet löytäneensä mitään eivätkä pitäneet lehdistötilaisuutta (mistä toimittajat antavat sellaisen käsityksen, että jotain merkittävää on löydetty, sanottiinpa siellä mitä tahansa).

Tapaus oli sikäli poikkeuksellinen, että naiivisti arvioitu todennäköisyys sille, että kyseessä on vain Standardimallin kohinaa, oli hyvin pieni: alle 1 vastaan 100 000, kun molempien koeryhmien datan laittaa yhteen. Tämän luvun tulkinnan kanssa pitää kuitenkin olla huolellinen, koska ATLAS ja CMS etsivät poikkeamia monista eri hiukkassignaaleista useilla energioilla. Jos tutkii kokeessa 20 eri asiaa, niin luultavasti jossain niistä saa tuloksen, jonka todennäköisyys on vain 5%, jos oletettu malli pitää paikkansa. Tästä ei tietenkään voi päätellä, että malli on 95% todennäköisyydellä väärin, kuten sarjakuva xkcd havainnollistaa. (Valitettavasti tätä ei monien alojen tiedeuutisoinnissa tunnuta hahmottavan.)

Hiukkasfysiikassa pitää ottaa huomioon ensinnäkin se, että olisi ollut aivan yhtä yllättävää, jos viitteitä uudesta hiukkasesta olisi näkynyt millä tahansa muulla energialla; tämä on suhteellisen suoraviivaista laskea. Mutta sen lisäksi täytyy pitää kirjaa siitä, että kokeissa on katsottu myös useita muita seikkoja kuin fotoniparien lukumääriä. Poikkeavan havainnon tilastollinen merkitys riippuu koko suoritetusta koesarjasta, ei vain niistä havainnoista, joissa poikkeama löydetään. LHC:n datasta tehdään kuitenkin niin paljon erilaisia analyysejä, joista kaikki eivät ole riippumattomia toisistaan, että on vaikeaa määritellä yksittäisen havainnon tilastollista merkitystä kiistattomasti. Perinteisesti on käytetty standardia, jonka mukaan naiivin todennäköisyyden (eli kun otetaan huomioon vain poikkeava havainto) pitää olla noin 1 vastaan kolme miljoonaa, ennen kuin voidaan julistaa mitään löydetyksi. Nyt kun dataa syynätään yhä useammilla eri tavoilla, voi olla, että tätä voidaan vielä joutua säätämään tiukemmalle. Higgsin kohdalla tämä raja ylittyi ATLAS-kokeen ja CMS:n kohdalla erikseen, joten mahdollisuus, että signaali olisikin kohinaa, oli mitättömän pieni. (ATLAS ja CMS eivät tosin ole täysin riippumattomia kokeita, koska niissä käytetään osittain samoja ohjelmistoja.) Myös LIGOn havaitsemien gravitaatioaaltojen löytämiseksi oli kaksi erillistä detektoria, ja vaikka kynnys taisi ylittyä vain niiden yhdistetyn datan kohdalla, tehtyjen analyysien määrä ja odotetut signaalit ovat paremmin hallussa.

Higgsin tapaus oli erilainen myös sikäli, että havainnot olivat sellaisia, mitä uudelta hiukkaselta odottaisikin. En tarkoita vain sitä, että Standardimalli ennusti Higgsin olemassaolon ja sen massa oli rajattu pienelle alueelle, vaan myös sitä, että samaan aikaan fotoniparien kanssa näkyi muitakin signaaleja, jotka voimistuivat lisädatan myötä odotetulla tavalla. Sen sijaan 750 GeVin fotoniparit vaikuttivat alkuunkin kummalliselta. Tämä 750 GeVin haamujahti on esimerkki siitä, että naiivisti arvioitu todennäköisyys pitää tulkita sen valossa, kuinka luultavalta signaali vaikuttaa, ennen kuin sitä saadaan varmennettua. Tällaiset arviot ovat tietysti makuasioita, ja usein löytöjä on tehty sieltä, mistä niitä ei ole osattu odottaa.

Tilanne on sikäli hyvä, että LHC on käynnissä vielä pitkään, ja kiihdyttää törmäystahtiaan koko ajan. Niinpä uusista poikkeamista saadaan varmuus yksinkertaisesti vain odottamalla lisää dataa. Kun tiedettiin tarkkailla vain 750 GeVin energiaa ja vain fotonipareja tämän kesän datasta, niin ei ollut sellaista ongelmaa, että katsottaisiin monia asioita. Sanottiinpa tästä hiukkasjahdista mitä tahansa, niin ainakin asia selvitettiin tarkkojen kokeiden avulla, ja päädyttiin selvään tulokseen (vaikka se olikin muuta kuin mitä toivottiin). Periaatteessa ei siis tarvitse hätiköidä. Todellisuudessa teoreetikot kuitenkin rynnivät julkaisemaan vanhoja ideoita sadoissa uusissa kuoseissa selittämään 750 GeVin olematonta hiukkasta, ja on syytä huolestua siitä, että he jatkavat kohinan tulkitsemista.

Yksi syy tähän on se, että jos jonkun tikka osuu oikeaan niin hän on voittaja, mutta sadat muut eivät menetä mitään. Jos kukaan ei ole oikeassa, niin kaikkien tilanne on huono eli yhtä hyvä. Jokainen saa uusia julkaisuja ja uusia viitteitä, jotka ovat tutkijoiden keskuudessa käypää valuuttaa, eikä kukaan ole muita jäljessä. Toisaalta teoreetikot saattoivat siirtyä muiden tutkimusaiheiden parista tehtailemaan tieteellisiä artikkeleita tästä vain siksi, että ei ole parempiakaan ideoita. Standardimalli saatiin valmiiksi yli neljä vuosikymmentä sitten, ja neutriinojen muuttumista toisikseen lukuun ottamatta maan päällä ei ole löytynyt mitään sen tuolta puolen. (Taivaalla on toisin.)

Silloin kun rupesin opiskelemaan fysiikkaa Helsingin yliopistossa vuonna 1992, hiukkasfysiikan oppikirjoissa puhuttiin erämaasta, joka ulottuu Standardimallin energiaskaaloilta yhtenäisteorioihin asti. Tällä tarkoitettiin sitä, että välissä olevilla energioilla ei olisi mitään uutta fysiikkaa löydettävänä. Tämä olisi hyvin erilainen tilanne verrattuna tuntemiimme energioihin, missä on molekyylifysiikkaa, atomifysiikkaa, ydinfysiikkaa, värivuorovaikutus ja muu Standardimalli, kerros kerrokselta. Tällöin oli kuitenkin vielä sellainen ajatus, että Standardimallin lisäksi samoilla energioilla olisi sen kanssa paljon uutta fysiikkaa tutkittavaksi ennen erämaahan astumista. Suosittuja ideoita olivat erilaisiin esteettisiin näkemyksiin perustuvat supersymmetria ja tekniväri (olen itse mieltynyt jälkimmäiseen). Nyt kun mitään ei ole löytynyt, niiden taustalla olevat kauneuskäsitykset eivät näytä enää niin houkuttelevilta, mutta uusista tienviitoista ei ole vielä selvyyttä. Vaellus erämaassa uhkaa käydä pitkäksi.

14 kommenttia “Neljä vuosikymmentä erämaassa”

Pekka Janhunen sanoo:

17.8.2016 10:09

Syksy, oletko seurannut tuota berylliumanomalia-asiaa? Siitä on hiljattain ilmestynyt paperi http://arxiv.org/abs/1608.03591 jossa selitykseksi ehdotetaan uutta noin 17 MeV massaista vektoribosonia ja siihen kytkeytyviä uusia hiukkasia? Pystytkö kommentoimaan tuota paperia?

Vastaa
Syksy Räsänen sanoo:

17.8.2016 13:03

Pekka Janhunen;

En valitettavasti osaa kommentoida tuota.

Vastaa
Sunnuntaikosmologi sanoo:

18.8.2016 01:03

Optisella mikroskoopilla ehdottomasti tärkein resoluution rajoitus on valon aallonpituus. Mutta yhtä sun toista näppärää on kuitenkin keksitty kaiken mahdollisen informaation saamiseksi aallonpituuden rajoissa, kuten esim. fluoresenssimikroskopia, konfokaalitekniikka, j.n.e.

Vastaavasti LHC:n tärkein parametri on siis hiukkasten energia, ja puhutaan jo LHC:n seuraajasta jolla olisi jokin suurempi hiukkassuihkun energia. Mutta onko ajateltavissa että jotain oikein merkittävää voidaan LHC:ltä saada parantamalla detektoriasemien (Alice, Atlas, …) tekniikkaa ?

Vastaa
Syksy Räsänen sanoo:

18.8.2016 15:22

Sunnuntaikosmologi:

En tunne detektorien yksityiskohtia, joten olen vähän huono tähän vastaamaan. Varmasti detektoreita parantamalla voi saada tarkempaa tietoa (esimerkiksi TOTEM-kokeella, joka mittaa hiukkasia, jotka liikkuvat hyvin lähellä hiukkasputken suuntaa).

Mutta merkittävimmät tekijät energian lisäksi ovat luminositeetti (eli törmäysten tahti) ja se, mitä hiukkasia törmäytetään. Protonien sisärakenteen takia niiden törmäykset ovat sotkuisia, elektroneja törmäyttämällä voi tehdä siistimpiä mittauksia ja nähdä yksityiskohtia, joita LHC ei näe, pienemmillä energioilla. Voi olla, että seuraava kiihdytin on siis elektroni-positroni -kiihdytin.

Vähän lisää eri kiihdytinvaihtoehdoista:

http://www.tiede.fi/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/sukupolvesta_toiseen

Vastaa
Pekka Janhunen sanoo:

19.8.2016 12:00

Ympyrämäisiä myonikiihdyttimiäkin on harkittu. Puusta katsoen luulisi ettei myonien tuottaminen olisi kovin paljon vaikeampaa kuin positronienkaan, joita jo LEP käytti. Onkohan ympyrämäisen myonikiihdyttimen pulmana hiukkasten lyhyehkö elinaika?

Vastaa
Syksy Räsänen sanoo:

19.8.2016 16:30

Pekka Janhunen:

En tunne myonikiihdytinten yksityiskohtia, joten tämä on vähän arvailua. Elinaika laboratoriokoordinaatistossa on paljon lepokoordinaatiston mikrosekuntia pidempi aikadilataation takia, joten en tiedä onko se ongelma. Mutta myonien isomman massan takia ne lähettävät paljon enemmän säteilyä niiden radan taipuessa ympyänmuotoisiksi, ja tämä voi olla rajoittava tekijä.

Vastaa
1. Pekka Janhunen sanoo:
  
  21.8.2016 20:03
  
  Syksy: Hetkinen, tarkoitit varmaan päinvastoin. Myoni on elektronia raskaampia joten se lähettää vähemmän synkrotronisäteilyä. Jos protoni on helppo kiihdytettävä (LHC) ja elektroni vaikea (LEP), niin myoni on siitä välistä mutta logaritmiskaalassa lähempänä protonia kuin elektronia.
  
  Vastaa
  1. Syksy Räsänen sanoo:
    
    22.8.2016 17:24
    
    Pekka Janhunen:
    
    Aivan oikein! Siis myonit tuottavat enemmän jarrutussäteilyä kuin nykyiset protonikiihdyttimet (mutta vähemmän kuin vastaava elektroni-positroni -kiihdytin), koska myonien massa on pienempi.
    
    Myonikiihdyttimissä tosin tulee lisäsäteilyongelma niiden hajoamisesta elektroneiksi ja neutriinoiksi, koska nautriinot matkaavat pitkälle, ja niiden energia ja lukumäärä olisivat isoja.
    
    Vastaa
Lentotaidoton sanoo:

23.8.2016 11:23

Räsänen: ”Elinaika laboratoriokoordinaatistossa on paljon lepokoordinaatiston mikrosekuntia pidempi aikadilataation takia, joten en tiedä onko se ongelma”.

Eli toisinpäin sanoen: protonit esim ”näkevät” 27 km LHC-lenkin muutaman metrin pituisina.

Vastaa
Paluuviite: Kosmokseen kirjoitettua | Kauneusvirheen korjaaminen
Paluuviite: Kosmokseen kirjoitettua | Totalitaristinen periaate ja vanhan ajan romantiikka
Paluuviite: Kosmokseen kirjoitettua | Toisen kauden kuviot
Paluuviite: Kosmokseen kirjoitettua | Kun kuplat kohtaavat
Paluuviite: Tähtitieteellinen yhdistys Ursa: Tuoreimmat