Higgsin hiukkasen löytyminen ei tuo ratkaisua fysiikan perustaviin ongelmiin

Higgsin bosoni
Teksti
Marko Hamilo
Edinburghin yliopiston emeritusprofessorille Peter Higgsilleon ehdotettu Nobel-palkintoa. Kuva Gavin Rodgers / Rex Features / Lehtikuva.

Fyysikoiden lähes 50 vuotta kestänyt kadonneen hiukkasen metsästys päättyi viime viikolla, kun Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskus Cern vahvisti löytäneensä Higgsin bosonin. Brittifyysikko Peter Higgsin mukaan nimetty hiukkanen oli ainoa puuttuva pala fysiikan niin sanotussa standardimallissa.

Kosmologi ja teoreettinen fyysikko Stephen Hawking ehdotti Edinburghin yliopiston emeritusprofessorille Higgsille, 83, Nobel-palkintoa.
Higgs ja muut nyt löydetyn hiukkasen 1960-luvulla ennustaneet tutkijat saattavat jakaa palkinnon keskenään, mutta tuskin löydön nyt tehneiden tutkijoiden kanssa. Cernin ryhmästä on vaikeampi nostaa yhtä yksittäistä tutkijaa palkittavaksi. Kunnia maailman suurimmalla hiukkaskiihdyttimellä LHC:llä tehdystä hankkeesta jakaantuu satojen tutkijoiden kesken.

Mikään tieteen vallankumous nyt tehty hiukkaslöytö ei kuitenkaan ole. Jos uusi hiukkanen varmistuu Higgsin bosoniksi, se vain täydentää hiukkasfysiikan jo 1960-luvulla kehitellyn standardimallin.

Standardimalli kuvaa painovoimaa lukuun ottamatta kaikkia aineen tunnettuja vuorovaikutuksia. Se sisältää kaikki koskaan havaitut hiukkaset.

Standardimallin ennusteet ovat pitäneet paikkansa suurella tarkkuudella ja monet sen parissa työskennelleet tutkijat on jo aiemmin palkittu Nobelin palkinnolla. Kaikki standardimallin ennustamat ilmiöt ja hiukkaset on löydetty jo aiemmin, vain Higgsin hiukkanen puuttui fyysikoiden korttipakasta.

Ilman niin sanottua Higgsin kenttää standardimalli ei toimisi. Se kuvaisi kaikki alkeishiukkaset massattomiksi. Miksi esimerkiksi elektroneilla kuitenkin on massa, mutta fotoneilla ei?

Ratkaisu on Higgsin kenttä, joka vaikuttaa erilaisiin hiukkasiin eri voimakkuudella, ja joihinkin ei lainkaan. Mitä suurempi kentässä liikkuvien hiukkasten vuorovaikutus kentän kanssa on, sitä suurempi massa. Vuorovaikutuksen kentän ja hiukkasten välillä välittää Higgsin bosoniksi kutsuttu hiukkanen.

Pimeää energiaa

Nyt puuttuvalla palasella täydennetty standardimalli oli vallankumouksellinen teoria 1960-luvulla, koska se pystyi kuvaamaan silloin tunnetun materian kolme perustavaa vuorovaikutusta. Standardimalli ei kuitenkaan selitä heikointa vuorovaikutusta, painovoimaa. Tarvitaanko gravitaation välittäjäksi erityinen hiukkanen gravitoni?

Standardimalli on myös jäänyt jälkeen uusista havainnoista. Se selittää kyllä hyvin, mistä alkeishiukkasista tuntemamme aine koostuu: protonit ja neutronit kvarkeista, ja elektronit ovat itse alkeishiukkasia. Nyt kuitenkin tiedetään, että vain neljä prosenttia maailmankaikkeudesta on tunnettua ainetta.

Sen lisäksi on olemassa niin kutsuttu pimeä aine, joka koostuu mahdollisesti tuntemattomista, eksoottisista hiukkasista, jotka kuitenkin vuorovaikuttavat näkyvien taivaankappaleiden kanssa painovoiman välityksellä. Vielä suurempi osa maailmankaikkeuden massasta on pimeää energiaa, josta tiedetään vieläkin vähemmän.

Fysiikan laajennuksia standardimallin tuolle puolen tarvitaan selittämään muun muassa pimeän aineen kaltaisia kummallisuuksia. Supersymmetria on yksi tällainen teoria. BBC:n verkkouutisten mukaan nyt havaitun Higgsin bosonin massa sulkee pois joitakin supersymmetriamalleja, mutta sallii joitakin toisia.

Mikä bosoni?

Standardimalli selittää tunnetun aineen ja niiden väliset vuorovaikutukset gravitaatiota lukuun ottamatta.

Kvarkit muodostavat suurimman osan tunnetusta aineesta. Ne liittyvät yhteen muodostaakseen atomiytimien protoneita ja neutroneita. Protonit rakentuvat kahdesta ylös-kvarkista ja yhdestä alas-kvarkista, neutronit taas yhdestä ylös-kvarkista ja kahdesta alas-kvarkista.

Leptonit muodostavat kvarkkien kanssa tunnetun aineen. Tutuin leptoni on elektroni, muita sähköisesti varattuja leptoneja ovat myöni ja tau. Kaikilla leptoneilla on varauksettomat vastinparinsa neutriinot. Elektronin neutriinon epäiltiin viime vuonna ylittäneen kosmisen nopeusrajoituksen valon nopeuden, mutta epäily osoittautui mittausvirheeksi.

Vuorovaikutuksen välittäjiä kutsutaan bosoneiksi. Vahvan vuorovaikutuksen välittäjä gluoni liimaa kvarkit protoneiksi ja neutroneiksi. Radioaktiivisen hajoamisen takana on heikko vuorovaikutus ja sen välittäjät, W- ja Z-bosonit. Tutuin bosoni on fotoni, joka voi ilmetä esimerkiksi radioaaltoina, näkyvänä valona tai gammasäteilynä.

Bosoniperheen viimeinen jäsen on Higgsin hiukkanen, joka antaa aineelle massan. Nyt tehty kokeellinen löydös on erittäin suurella todennäköisyydellä aidosti uusi hiukkanen. Vasta jatkotutkimukset vahvistavat, käyttäytyykö se todella niin kuin standardimallin mukainen Higgsin bosoni.