Tuulien kääntymistä

22.12.2022 klo 19.24, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Hiukkasfysiikan Standardimalli on yksi ihmiskunnan suuria saavutuksia. Se kuvaa kaikkia tunnettuja hiukkasia ja vuorovaikutuksia gravitaatiota lukuun ottamatta. Standardimalli on ennustanut yli neljän vuosikymmenen ajan oikein kaikkien hiukkaskiihdyttimissä tehtyjen kokeiden tulokset, jotkut miljardisosan tarkkuudella.

Kokeellisen menestyksen taustalla on hienostunut teoreettinen rakenne nimeltä kvanttikenttäteoria, joka yhdistää kvanttimekaniikan ja suppean suhteellisuusteorian. Ensimmäinen Standardimallin osa, sähkömagneettista vuorovaikutusta kuvaava kvanttielektrodynamiikka, löydettiin 1948. Se selitti ja ennusti tarkasti vetyatomin rakenteen ja muita ilmiöitä. Vuonna 1954 kuitenkin Aleksei Abrikosov, Isaak Khalatnikov ja Lev Landau osoittivat, että sähkömagneettisen vuorovaikutuksen voimakkuus kasvaa energian myötä ja muuttuu lopulta äärettömäksi, mikä on matemaattisesti ristiriitaista.

Monet päättelivät tästä, että kvanttikenttäteoriassa on jotain perustanlaatuista vikaa ja hiukkasfysiikassa pitää suunnata muille reiteille. Kaksi tapahtumaa vaikutti merkittävästi siihen, että kvanttikenttäteoria palasi suosioon ja Standardimallista tuli standardi.

Yksi läpimurto tuli vuonna 1973 Standardimallin toisesta osasta. Silloin osoitettiin, että värivuorovaikutusta kuvaavassa kvanttikromodynamiikassa voimakkuus pienenee energian myötä. Tämä osoitti, että kaikilla kvanttikenttäteorioilla ei ole Landaun ja kumpp. löytämää ongelmaa.

Toinen mullistava tulos oli saatu kahta vuotta aiemmin, kun jatko-opiskelija Gerardus ‘t Hooft ja hänen väitöskirjaohjaajansa Martinus J. G. Veltman osoittivat, että Standardimallissa hiukkasilla on vain äärellinen määrä tapoja vuorovaikuttaa keskenään.

Kvanttikenttäteorioissa kvanttifysiikan vuorovaikutusten kokonaisuus on hyvin monimutkainen. Siksi kvanttikenttäteorioita rakennetaan lähtemällä teoriasta, jossa ei ole mukana kvanttifysiikkaa, ja kvanttiefektejä otetaan mukaan pala kerrallaan. Kvanttiefektit voivat joka askeleella tuoda teoriaan uusia vuorovaikutuksia, joita ei alun perin ollut mukana. (Murray Gell-Man nimesi tämän totalitaristiseksi periaatteeksi: kaikki mikä ei ole kiellettyä on pakollista.)

Asiaa voi havainnollistaa vertaamalla Isaac Newtonin gravitaatioteoriaan, missä kappaleet vetävät toisiaan puoleensa voimalla, joka on kääntäen verrannollinen niiden etäisyyden neliöön. Jos kyseessä olisi kvanttikenttäteoria, kvanttiefektit toisivat gravitaatiovoimaan mukaan osia, jotka heikkenevät nopeammin etäisyyden kasvaessa: kuten etäisyyden kolmas potenssi, neljäs potenssi, ja niin edespäin.

Suurimmassa osassa kvanttikenttäteorioita on niissäkin äärettömän monta erilaista vuorovaikutusta, eikä teoriasta voi laskea, miten voimakkaita ne ovat. Niinpä oikeastaan mitään ei voi ennustaa, koska on äärettömän monta numeroa, joita sovittaa havaintoihin.

Joidenkin poikkeuksellisten kvanttikenttäteorioiden rakenne kuitenkin sallii vain äärellisen (ja yleensä pienen) määrän erilaisia vuorovaikutuksia. ’t Hooft ja Veltman osoittivat, että Standardimalli on tällainen teoria. Tämä oli mullistava tulos: se osoitti, että Standardimalli on vakaalla pohjalla ja sen ennustuksiin voi luottaa. Standardimallista tuli hiukkasfysiikan vuorenhuippu, ja ’t Hooftille ja Veltmanille myönnettiin Nobelin palkinto vuonna 1999.

Tuloksen merkitystä kuvaa se, että se palkittiin Nobelilla, vaikka ’t Hooft ja Veltman eivät ennustaneet eivätkä löytäneet mitään, vaikka palkinnon lehdistötiedotteessa Standardimalliin liittyviä kokeita korostetaankin. Yleensä fysiikan Nobeleita annetaan vain kokeellisesti varmistetuista löydöistä.

Vuosikymmenien varrella suhtautuminen ’t Hooftin ja Veltmanin tulokseen on kuitenkin muuttunut. Eräs hiukkasfysiikan kärkihahmona pidetty teoreetikko on peräti sanonut, että sillä ei ole mitään merkitystä.

Syynä on se, että Standardimalliin ja muihin hiukkasfysiikan teorioihin on ruvettu suhtautumaan vain approksimaatioina, joiden pätevyysalue on rajallinen. Tällöin ei haittaa, vaikka teoriasta ei voi tehdä tarkkoja ennustuksia tai se ei ole ristiriidaton, kunhan siitä voi ennustaa jotain, vaikka vähemmän perustellusti. Tämä lähestymistapa tunnetaan nimellä efektiivinen kenttäteoria, missä ensimmäinen sana viittaa siihen, että teoria toimii vain rajatulla alueella.

Palataan vertaukseen, missä kvanttiefektit lisäisivät Newtonin gravitaatiovoimaan osia, jotka riippuvat eri tavalla etäisyydestä. Jos teoria käyttäytyy kuten Standardimalli, erilaisia osia on vain pieni määrä. Jos se käyttäytyy kuten efektiivinen kenttäteoria, voiman osia on äärettömästi, mutta ne joiden voimakkuus laskee nopeasti etäisyyden kasvaessa voi sivuuttaa kun kappaleet ovat tarpeeksi kaukana toisistaan. Teoria siis pätee isoilla etäisyyksillä, kunhan nopeasti heikkenevät osat ovat tarpeeksi pieniä eikä lasketa liian tarkasti.

Samalla kun ’t Hooftin ja Veltmanin tuloksen arvostus on laskenut, heidän sen todistamisessa käyttämänsä renormalisaationa tunnetun menetelmän merkitys on noussut yhdessä efektiivisen kenttäteorian myötä. Renormalisaatiossa lasketaan miten pienen mittakaavan ilmiöt vaikuttavat isomman mittakaavan tapahtumiin. Renormalisaatiota käytettiin hiukkasfysiikassa jo ennen ’t Hooftin ja Veltmanin työtä, ja nykyään se on osana efektiivistä kenttäteoriaa keskeinen työkalu fysiikan eri aloilla, kuten kiinteän olomuodon fysiikassa (vaikkapa puolijohteiden ymmärtämisessä) tai sen tutkimisessa, millaisia rakenteitagalaksitmuodostavat.

Toisaalta Standardimallin suhteen tuuli on taas kääntymässä. Vastoin odotuksia hiukkaskiihdytin LHC ei olekaan löytänyt uutta fysiikkaa, vaan on sen sijaan jatkanut Standardimallin ennusteiden varmentamista. Tämä on saanut jotkut tutkijat ottamaan Standardimallin entistä vakavammin. Teoriat joissa hiukkasilla on vain äärellinen määrä tapoja vuorovaikuttaa ovat hyvin poikkeuksellisia. Onko sittenkään sattumaa, että Standardimalli, joka kuvaa havaintoja odotettua paljon paremmin, on tällainen teoria? Asiasta ei ole selvyyttä, ja voi olla että Standardimallin ymmärtämisessä on edessä vielä uusi läpimurto.

28 kommenttia “Tuulien kääntymistä”

  1. Martti V sanoo:

    ”Joidenkin poikkeuksellisten kvanttikenttäteorioiden rakenne kuitenkin sallii vain äärellisen (ja yleensä pienen) määrän erilaisia vuorovaikutuksia”. Millaisista teorioista tässä on kyse?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Tällaisia teorioita sanotaan renormalisoituviksi teorioiksi. Niiden rakenteen selittäminen vaatisi pidemmän tekstin, mutta sanon karkeasti ja epäselvästiu, että tyypillinen renormalisoituva teoria on sellainen, jossa 1) vuorovaikutuksiin liittyy tietynlainen symmetria (mittasymmetria), 2) kaikkien vuorovaikutusten voimakkuutta mittaavat varaukset (kuten sähkövaraus) ovat dimensiottomia yksikköjärjestelmässä, missä valonnopeuson yksi ja redusoitu Planckin vakio on yksi, ja 3) hiukkassisältö on sopiva.

  2. Eusa sanoo:

    Symmetriat ovat mielenkiintoisia. Supersymmetria perustuu oletuksiin hiukkasperheestä. Jospa supersymmetria onkin levittäytyneemmissä virityksissä?

    Tuntuisi, ettei hyviä symmetriaideoita välttämättä tarvitsisi heittää romukoppaan vaan niille voisi löytyä perusteluja ja todennettavaa näkökulman vaihdolla. Liekö tosissaan vielä yritettykään?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Supersymmetria ei perustu ”oletuksiin hiukkasperheestä”. Standardimallin perherakenteella ei ols supersymmetrian kanssa mitään tekemistä.

      Supersymmetria perustuu oletukseen, että suppean suhteellisuusteorian aika-avaruutta kuvaavat symmetriat ja hiukkasfysiikan hiukkasten vuorovaikutuksiin liittyvät symmetriat ovat osa samaa kokonaisuutta. Tästä oletuksesta seuraa, että hiukkasia pitää olla havaittuja enemmän.

  3. M. Hyvönen sanoo:

    Hei,

    Asiallinen, asiantunteva ja mielenkiintoinen artikkeli!

    Ursassa tiedätte varsin hyvin, että Räsänen on saanut syytteet kahdesta törkeästä rikoksesta. Käräjäoikeuden vapauttava päätös ei ole vielä lainvoimainen.

    Yhdistyksenä Ursan tulisi täysin pidättäytyä kaikesta yhteistyöstä Räsäsen kanssa rikosprosessin ollessa vireillä. Tämä on nykyisin täysin vakiintunut käytäntö. Tämä osoittaisi myös, että Ursa ei hyväksy mitään rikollista toimintaa. Epäillyt syyksiluettavat tekomuodot ovat törkeitä ja niitä on kaksi kappaletta.a

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Vastaan omalta osaltani.

      Oikeus hylkäsi syytteet kunnianloukkauksesta ja yksityiselämää loukkavasta tiedon levittämisestä. Päätös on lainvoimainen. Käräjäoikeus totesi, että emme olleet rikkoneet lakia, ja että käsittelemäämme aihetta voidaan ”pitää sellaisena yleisen edun mukaisena asiana, josta tulee voida avoimesti keskustella”. Oikeus lisäksi totesi, että ”asialla on oletettavasti ollut merkitystä koko pienelle tiedeyhteisölle ja se on ollut yhteiskunnallisesti ja myös maailmanlaajuisesti merkityksellinen ja laajaa keskustelua herättänyt asia, mikä korostaa sananvapauden suojaa”.

      Tarkemmin, ks. https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/myos-me-kierros-4-we-too-round-4/

      Väitteesi ”täysin vakiintuneesta käytännöstä” ei pidä paikkaansa. Esimerkiksi Johanna Vehkoon viisi vuotta kestäneen kunnianloukkausjutun aikana journalistiset tahot lisäsivät yhteistyötä hänen kanssaan ja antoivat hänelle tunnustuksia.

  4. Erkki Kolehmainen sanoo:

    Pelkään pahasti, että Standardimallin ohjaava voima on niin suuri, että sen perusteella tehdyt koejärjestelyt (LHC) antavat aina tuloksen, joka vahvistaa Standardimallia! Eli suljetussa luupissa ollaan eikä tuulet miksikään käänny ennen kuin päästään mallista eroon. Nyt tarvitaan ajattelussa kvanttihyppäyksen kaltaista laadullista muutosta?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Standardimallin tuonpuoleista fysiikkaa etsitään kymmenillä erilaisilla koejärjestelyillä LHC:ssä.

  5. Erkki Kolehmainen sanoo:

    Kiitokset Syksylle siitä, että hän uskalsi mainita kolmen venäläisen fyysikon nimet positiivisessa sävyssä. Sellaista ei viime aikoina ole juurikaan tapahtunut, koska Venäjästä ja venäläisyydestä on tehty kirosana!

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Khalatnikov syntyi Ukrainassa. Landau syntyi nykyisen Azerbaidžanin alueella ja työskenteli Ukrainassa ja Venäjällä. En tiedä millainen kansallinen identiteetti heillä oli, itse puhuisin neuvostofyysikoista.

  6. Voiko standardimallin kaikkia parametreja (joita muistaakseni on parisenkymmentä) varioida ilman että renormalisoituvuus häviää? Voiko hiukkasperheitä olla jokin muu määrä kuin kolme, ilman että renormalisoituvuus häviää?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Renormalisoituvuus säilyy riippumatta parametrien arvoista ja perheiden määrästä.

      1. Minusta standardimalli on vähän kuin vuoristomaisema, joka katselemme kivikautisesta alppikylästä. Vuorten yleispiirteet vihjaavat taustalla olevasta geofysiikasta (vuorenpoimutus, laattatektoniikka, ruuhilaaksot, jääkaudet, jne.), mutta yksittäisten vuorten paikat ovat satunnaisia. Haasteena on katsoa standardimallia niin että taustalla oleva fysiikka paljastuisi ilman että satunnaiset yksityiskohdat varastavat huomion; helpommin sanottu kuin tehty. Geofysiikan tapauksessa pelkkä vuoriston katselu ei riittänytkään, vaan lisäksi piti kiinnittää huomio rinteiltä löytyviin merieläinten fossiileihin sekä maailmankartan muotoihin, jotta päästiin avainidean eli mannerliikuntojen jäljille.

  7. Erkki Kolehmainen sanoo:

    Vastaus ongelmaan on tämä: Mordehai Milgrom ja MoND (Modified Newtonian Dynamics)

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      MOND on yritys selittää osaa niistä havainnoista, joita pimeä aine selittää, ilman pimeää ainetta. Se ei ole kokonainen teoria, mutta on kehitetty teorioita joiden rajatapauksena olisi MOND. Yksikään tällainen teoria ei ole pystynyt selittämään kaikkia samoja havaintoja kuin pimeä aine, saati onnistuneesti ennustamaan uusia kuten pimeä aine.

      Tarkemmin, ks.

      https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/luodin-jaljet/

  8. Harri Pohja sanoo:

    Kiitos taas mielenkiintoisesta katsauksesta! Onko Standardimallista olemassa jokin ”virallinen versio”, jota päivitetään tiedeyhteisön konsensuksen mukaan? Esimerkiksi omien opintojeni aikaan neutriinoilla ei ajateltu olevan nollasta poikkeavaa lepomassaa, 90-luvulla ilmeisesti neutriinojen kätisyyden vaihtuminen alkoi edellyttää lepomassaa, pari–kolme vuotta sitten mainitsit blogissasi neutriinojen massaksi 5–10 keV, ja uusimmissa artikkeleissa näyttää massan arvion tarkentuneen johonkin 0,1 eV paikkeille (jos olen oikein ymmärtänyt). Ovatko nämä arviot massoista aikojen kuluessa vain jonkinlaisia välituloksia, vai hyväksytäänkö ne standardimalliin sitä mukaa kuin arviot muuttuvat?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Tämä onkin hyvä kysymys. Standardimallista on periaatteessa vain yksi versio, jossa tosiaan ei ole neutriinoiden massoja. Jotkut tosin kutsuvat Standardimalliksi myös teoriaa, johon on lisätty neutriinoiden massat, koska ei ollut hyvää syytä jättää niitä alun perin pois.

      Neutriinoiden massojahan ei ole havaittu kiihdyttimissä, vaan toisenlaisissa kokeissa. Massojen tarkkoja arvoja ei tiedetä, vain yläraja (joka on tosiaan noin 0.1 eV) ja neutriinoiden emassojen erot.

      Tarkemmin, ks.

      https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/sekoittumista/

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

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

      To 5-10 keV on massa-arvio kevyimmälle nk. oikeakätiselle neutriinolle, jos pimeä aine koostuu siitä. Oikeakätisten neutriinoiden olemassaolosta ei ole varmuutta.

      Tarkemmin, ks.

      https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/huippujen-laskeminen/

      https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/vasemmalta-oikealle/

      https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/kauneusvirheen-korjaaminen/

      1. Erkki Kolehmainen sanoo:

        Neutriinoista puheen ollen Bruno Pontecorvon nimi on mainittava. Hän oli Enrico Fermin oppilas, joka loikkasi Helsingin kautta Neuvostoliittoon v. 1950 ja teki pääosan tieteellisestä urastaan siellä. Hänen ideansa on mm. neutriinoiden oskillaatio eli muuttuminen toisikseen!

      2. Harri Pohja sanoo:

        Kiitos pikaisesta ja kattavasta vastauksesta! Noissa aiemmissa kirjoituksissasi mainitset nuMSM:n muutaman kerran, ja että se ”on hyvin motivoitu, yksinkertainen ja vieläpä kokeellisesti lähiaikoina varmennettavissa tai poissuljettavissa” (lainaus 2016 blogistasi). Mikähän sen osalta on nykyään tilanne, onko esimerkiksi kokeellisesti onnistuttu varmentamaan nuMSM:ää suuntaan tai toiseen?

        P.S. Nuo linkit Tiede-lehden blogitesteihin vievät vain Helsingin Sanomien Tiede-osastolle, enkä onnistunut sitä kautta mitenkään pääsemään käsiksi noihin teksteihisi. Arkiston kautta ehkä saattaisi päästä, mutta se taitaa olla vain Tiede-lehden tilaajille?

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          nuMSM:n tilanne ei ole oleellisesti muuttunut. Kolme pientä askelta on otettu sitten vuoden 2016.

          1) Havainnot ovat rajoittaneet oikeakätisten neutriinoiden massaa, jos ne ovat pimeää ainetta ja niiden massa on 1-10 keVin tienoilla. Massaikkuna ei kuitenkaan ole sulkeutunut.

          2) Tarkemmat laskut baryogeneesistä osoittavat, että raskaampien oikeakätisten neutriinoiden (niiden jotka eivät ole pimeää ainetta) massaikkuna onkin luultua paljon isompi.

          3) Jotkut röntgensädehavainnot saattavat olla syntyneet oikeakätisten pimeän aineen neutriinoiden hajoamisesta.

          Tosiaan, Tiede-lehden blogithan on lakkautettu. Tekstit löytyvät laittamalla linkin Wayback Machineen. Yritän jatkossa muistaa pistää Wayback Machine -linkit noiden vanhentuneiden linkkien sijaan.

          https://archive.org/web

      3. Eusa sanoo:

        Neutriinojen massattomuus ja itsensä antihiukkaisuus, oikeakätisenä antihiukkasensa, ei liene vieläkään todennettu mahdottomaksi, järkeväksi epäillä sen sallivaa mekanismia massaoskilloinnin sijaan? Tässäkin levittäytyneen funktion sumea logiikka voisi olla vahva työkalu.

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Jos neutriinot ovat omia antihiukkasiaan, se ei tarkoita, että ne olisivat massattomia. Itse asiassa kun neutriinoilla on massat, on luontevinta, että ne ovat silloin omia antihiukkasiaan. (Mutta se ei ole välttämätöntä.)

          1. Eusa sanoo:

            Siis yhdistelmä massattomuus-majoranaisuus-fermionisuus on mahdollinen, vaikka massallisuus näyttääkin nyt vakuuttavammalta selitysmallilta.

          2. Syksy Räsänen sanoo:

            Neutriinot ovat fermioneja. Se, että ne olisivat massattomia ja Majorana-fermioneja (eli omia antihiukkasiaan) ei mitenkään selittäisi havaintoja neutriinoiden oskillaatioista, sitä varten niillä pitää olla massat.

            Tämä riittäköön tästä.

          3. Martti V sanoo:

            Eikös hiukkasella ja sen anti-parilla ole aina sama massa? mainitsit, että neutriinojen (vas. kät.) massan yläraja olisi 0.1eV. -> eikö se ole silloin myös oikeakätisen? Neturiinoja on kolmessa generaatiossa. Kuuluko pimeänaineen kandidatti niistä tiettyyn?

          4. Syksy Räsänen sanoo:

            Kyllä, mutta vasenkätiset ja oikeakätiset neutriinot eivät ole toistensa antihiukkasia.

            Mainitsemassani nuMSM-mallissa (ks. kommentit yllä) kevyin oikeakätinen neutriino on pimeän aineen hiukkanen. Kaksi muuta voivat olla vastuussa aineen ja antiaineen epäsuhdasta, ks. https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/vasemmalta-oikealle/

            Kyse tosin ei ole aivan perheistä sikäli, että ne neutriinot, joilla on tarkat massat, ovat sekoitus eri perheiden neutriinoja. Tavallisten vasenkätisten neutriinoiden kohdalta yritin selittää asiassa täällä: https://web.archive.org/web/20220820021821/http://www.tiede.fi/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/pikkupuolueettomien_epamaaraisyytta

  9. Grigori Melehov sanoo:

    onko esitetty teoriaa, jossa aika on kolmiulotteinen?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Luultavasti. Ainakin kahta aikaulottuvuutta on pohdittu. Menee sen verta kauas merkinnän aiheesta, että ei siitä enempää.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *