Higgsin bosoni — määritelmä ja merkitys massan synnyssä
Higgsin bosoni: miten Higgsin kenttä synnyttää massan, CERNin 2013-löytö ja vaikutus Standardimalliin — selkeä selitys massan synnystä ja hiukkasfysiikan merkityksestä.
Higgsin bosoni (tai Higgsin hiukkanen) on fysiikan standardimallin hiukkanen, jonka olemassaolon ennustivat 1960-luvulla muun muassa Peter Higgs sekä Brout ja Englert ja muut. CERNin (CERN) ATLAS- ja CMS-kokeet ilmoittivat löytäneensä uuden hiukkasen 4. heinäkuuta 2012, ja löydös vahvistettiin myöhemmin kokeellisesti. Löydöstä myönnettiin Nobel-palkinto Peter Higgsille ja François Englertille vuonna 2013.
Mikä Higgsin bosoni on ja miksi se on tärkeä
Higgsin hiukkanen on yksi Standardimallin hiukkasista ja se kuuluu bosonien ryhmään (bosoni). Bosonit välittävät tai liittyvät vuorovaikutuksiin, ja tunnettuja bosoneja ovat esimerkiksi fotoni, W- ja Z-bosoni sekä gluoni. Toisin kuin nämä vuorovaikutuksia välittävät bosonit, Higgsin bosoni liittyy mekanismiin, joka antaa massan muille hiukkasille. Painovoiman yhdistäminen standardimalliin on edelleen avoin kysymys.
Higgsin kenttä ja massan synty
Higgsin kenttä on erikoislaatuinen peruskenttä hiukkasfysiikan teoriassa: toisin kuin esimerkiksi sähkömagneettinen kenttä, Higgsin kentän odotusarvo tyhjiössä ei ole nolla vaan vakioarvo kaikkialla avaruudessa. Tämä niin kutsuttu spontaani symmetrian rikkoutuminen aiheuttaa sen, että osa hiukkasista (erityisesti W- ja Z-bosonit) saa massan vuorovaikutuksesta kentän kanssa. Higgsin kentän olemassaolo oli yksi hiukkasfysiikan standardimallin viimeisistä vahvistusta odottaneista osista.
Kentän ei-vakioarvo mitattuna tyhjiössä (vacuum expectation value) on luokkaa 246 GeV, ja kentän pienin värähtelyenergia ilmenee hiukkasena, joka tunnistettiin Higgsin bosonina. Standardimallin Higgs on skalaari (spin 0) ja sähköisesti neutraali.
Havaitseminen LHC:ssä ja hiukkasten tuotanto
Higgsin bosoni on verrattain massiivinen (mitattu massa on noin 125 GeV/c²) ja hyvin lyhytikäinen, minkä vuoksi sitä on vaikea suoraan havaita. CERNin rakentama suuri hadronitörmäytin (LHC) suunniteltiin pääosin tuottamaan riittävän energisiä törmäyksiä Higgsin kaltaisten raskaitten hiukkasten syntymiseen. LHC kiihdyttää kaksi hiukkasjoukkoa lähes valonnopeuteen ja törmäyttää ne keskenään.
Higgsin tuottaminen yhdessä törmäyksessä on harvinaista; todennäköisyydet ja poikkeamat riippuvat törmäystyyppistä ja energiasta. Käytännössä LHC:ssä törmäytetään triljoonia hiukkasia, ja vain pieni osa törmäyksistä tuottaa Higgsin kaltaisen tapahtuman. Tutkijat etsivät harvoja signaaleja suurten tietomäärien joukosta käyttäen monimutkaisia suodatus- ja analyysimenetelmiä — tästä syystä löydökseen tarvittiin valtava tilasto.
Tuotantotavat ja havaitsemiskanavat
Tärkeimpiä Higgsin tuotantomekanismeja LHC:ssä ovat esimerkiksi gluonifuusio (usein hallitseva prosessi), vektori-bosonifuusio sekä assosioitunut tuotanto W- tai Z-bosonin kanssa. Higgs-bosoni havaitaan epäsuorasti sen hajoamistuotteiden kautta. Merkittäviä hajoamiskanavia ovat:
- kaksi fotonia (γγ) — selkeä, mutta harvinainen kanava
- kaksi Z-bosonia, jotka voivat hajota neljäksi leptoniksi (4l, usein neljä elektronia tai myonia) — erittäin puhdas signaali
- kaksi W-bosonia (WW*), b-quark -taiut (bb) ja tau-parit (ττ) — vaikeampia taustojen vuoksi
Nämä kanavat yhdessä mahdollistivat ATLAS- ja CMS-kokeiden signaalin erottamisen taustasta ja Higgsin ominaisuuksien mittaamisen.
Massaenergiasta ja säilymislaki
Higgsin kentän kanssa vuorovaikutus muuttaa hiukkasten kineettisiä ominaisuuksia siten, että osa liike-energiasta näkyy massana. Tämä ei riko energian säilymislakia: liike-energia muuttuu massaenergiaksi E=mc2. Käytännössä vuorovaikutus kentän kanssa hidastaa tai rajoittaa hiukkasta, mikä vastaa massan ilmenemistä. Teknisesti massan synty perustuu kentän konfiguraation ja hiukkasen kytkennän (esim. niin sanottujen Yukawa-kytkentöjen) yhteisvaikutukseen; osa hiukkasista — esimerkiksi fotoni ja gluoni — pysyvät massattomina, koska ne eivät kytkeydy kenttään samalla tavalla.
Higgsin bosoni itsessään voidaan käsittää Higgsin kentän paikallisena värähtelynä eli kvanttikorrelaationa. Syntyvä massa määräytyy Einsteinin kaavasta E=mc2, ja esimerkkinä yhden kilogramman massa vastaa valtavaa energiamäärää (noin 90 kvadriljoonaa joulea).
Ominaisuudet ja jatkotutkimus
Standardimallin Higgsin odotetaan olevan skalaari (spin 0) ja CP-parillinen hiukkanen. Löydön jälkeen kokeellisesti on mitattu sen hajoamisprofiilia, tuotantoa ja perusominaisuuksia, jotka vastaavat standardimallin ennusteita hyvin tarkasti — mutta tarkempia mittauksia ja mahdollisia poikkeamia etsiytyy edelleen, koska uusi hiukkanen voi paljastaa myös uutta fysiikkaa standardimallin ulkopuolelta.
Higgsin bosonin elinikä on hyvin lyhyt (luokkaa 10−22 sekuntia), joten se havaitaan ainoastaan sen hajoamistuotteiden kautta experimentaalisesti.
Kulttuurivaikutus ja nimitys
Higgsin bosoni on inspiroinut sekä tiedettä että populaarikulttuuria. Sitä käytetään usein tieteiskirjallisissa tarinoissa ja populaarikirjallisuudessa. Fyysikko Leon Lederman käytti termiä "jumalhiukkanen" ("god particle") vuonna 1993, mikä herätti paljon huomiota — termi on kuitenkin kontroversiaalinen ja antaa usein väärän käsityksen hiukkasen merkityksestä.
Higgsin löytö on yksi 2000-luvun merkittävimmistä kokeellisista saavutuksista hiukkasfysiikassa: se vahvisti tärkeän osan standardimallia, mutta samalla avasi uusia kysymyksiä, kuten miksi kentän arvo on juuri sellainen kuin on, ja mitä on fysiikka standardimallin ja painovoiman yhdistämisen takana. Tutkimus jatkuu sekä kokeellisesti (LHC-ajoissa ja tulevissa kiihdyttimissä) että teoreettisesti.
Tietokoneella luotu kuva Higgsin vuorovaikutuksesta.
Discovery
Joulukuun 12. päivänä 2011 Higgsin bosonia etsivät ryhmät ATLAS ja CMS ilmoittivat, että ne olivat vihdoin saaneet tuloksia, jotka saattoivat viitata Higgsin bosonin olemassaoloon, mutta ne eivät kuitenkaan tienneet varmasti, oliko tämä totta.
Suuren hadronitörmäyttimen ryhmät ilmoittivat 4. heinäkuuta 2012 löytäneensä hiukkasen, jonka he uskovat olevan Higgsin bosoni.
Ryhmät olivat tehneet paljon enemmän testejä ja ilmoittivat 14. maaliskuuta 2013, että he uskovat nyt, että uusi hiukkanen on Higgsin bosoni.
Kysymyksiä ja vastauksia
Kysymys: Mikä on Higgsin bosoni?
V: Higgsin bosoni on fysiikan standardimallin hiukkanen. Peter Higgs ehdotti sitä ensimmäisen kerran 1960-luvulla, ja CERNin tutkijat vahvistivat sen olemassaolon 14. maaliskuuta 2013. Se on yksi standardimallin 17 hiukkasesta, ja se on bosoni, jonka ajatellaan olevan vastuussa fysikaalisista voimista.
Kysymys: Miten Higgsin kenttä toimii?
V: Higgsin kenttä on perustavanlaatuinen kenttä, joka ottaa nollasta poikkeavan arvon lähes kaikkialla. Se oli Standardimallin viimeinen vahvistamaton osa, ja sen olemassaoloa pidettiin "hiukkasfysiikan keskeisenä ongelmana". Kun mittabosonit vuorovaikuttavat sen kanssa, ne hidastuvat ja niiden liike-energia menee massaenergian luomiseen, josta tulee se, mitä kutsumme Higgsin bosoniksi. Tämä prosessi noudattaa energian säilymislakia, jonka mukaan energiaa ei synny eikä tuhoudu, vaan se voi siirtyä tai muuttaa muotoaan.
K: Miksi Higgsin bosonia on vaikea havaita?
V: Higgsin bosonin massa on hyvin suuri verrattuna muihin hiukkasiin, joten se ei kestä kovin kauan. Niitä ei yleensä ole ympärillä, koska sen tuottaminen vaatii niin paljon energiaa. Löytääkseen ne tutkijat käyttävät supertietokoneita, jotka seulovat valtavia määriä dataa triljoonien hiukkasten törmäyksistä CERNin suuressa hadronitörmäyttimessä (LHC). Silloinkin on vain pieni mahdollisuus (yksi kymmenestä miljardista), että Higgsistä saadaan todisteita ja että se havaitaan.
K: Mitä muita tunnettuja bosoneja on olemassa?
V: Muita tunnettuja bosoneja ovat fotonit, W- ja Z-bosonit sekä gluonit.
K: Miten Einsteinin yhtälö E=mc2 liittyy massaenergian syntymiseen liike-energiasta?
V: Einsteinin kuuluisan yhtälön mukaan massa vastaa erittäin suurta energiamäärää (esimerkiksi 1 kg = 90 kvadriljoonaa joulea). Kun Higgsin kentän kanssa vuorovaikutuksessa olevien mittabosonien liike-energia hidastuu, tämä sama määrä liike-energiaa menee massaenergian luomiseen, josta tulee se, mitä kutsumme Higgsin bosoniksi - ja näin kokonaisenergia säilyy säilymislakien mukaisesti.
Kysymys: Millainen rooli tieteiskirjallisilla tarinoilla on Higgsin bosonien toiminnan ymmärtämisessä?
V: Tieteiskirjallisissa tarinoissa esiintyy usein higgsbosoneja osana juonta, mutta nämä tarinat eivät välttämättä tarjoa tarkkaa tieteellistä tietoa niiden toiminnasta - ne ovat enemmänkin viihdetarkoituksessa kuin mitään muuta!
Etsiä