Tampere Higgsin bosoni. Hiukkasen kiinnostavaa? Kimmo Tuominen! Helsingin Yliopisto

Transkriptio

1 Tampere Higgsin bosoni Hiukkasen kiinnostavaa? Kimmo Tuominen! Helsingin Yliopisto

2 Perustutkimuksen tavoitteena on löytää vastauksia! yksinkertaisiin peruskysymyksiin. Esimerkiksi: Mitä on massa? Klassisessa fysiikassa perussuure;! ei erityistä alkuperää.

3 F = G mm R 2

4 Aineen rakenne elektroni: <10-18 m atomi: m ydin: m protoni: m kvarkki: <10-18 m

5 Atomien elektroniverhon rakenteen määräävät sidosenergiat E m e c 2 Atomifysiikan ja materiaalitieteiden perusparametri: elektronin massa. Mistä elektronin massa tulee?

6 Fysiikan Nobel palkinto 2013: F. Englert P. Higgs Löytämästään teoreettisesta mekanismista, joka auttaa ymmärtämään alkeishiukkasten massan alkuperän, ja joka vahvistui oikeaksi, kun mekanismin e n n u s t a m a uusi alkeishiukkanen l ö y d e t t i i n C E R N i n s u u r e n hadronitörmäyttimen ATLAS- ja CMS-kokeissa. "for the theoretical discovery of a mechanism that contributes to our understanding of the origin of mass of subatomic particles, and which recently was confirmed through the discovery of the predicted fundamental particle, by the ATLAS and CMS experiments at CERN's Large Hadron Collider"

7 Suuri hadronitörmäytin (LHC, Large Hadron Collider)

8

9 CMS ATLAS

10

11

12 Törmäystapahtumat: 600 miljoonaa Mb dataa /s Näistä valitaan kiinnostavat: Mb dataa /s Maailmanlaajuinen verkosto datan käsittelyyn:!! Worldwide LHC Computing Grid Jokainen voi osallistua:! (myös WWW kehitettiin CERNssa 1989)

13 Miljardien törmäystapahtumien! analysoinnin tuloksena nähdään! möykky havaittujen hiukkasten! energiajakaumassa. Esim. fotonipari. 1 GeV = 1 protonin massa molemmat LHC kokeet (ATLAS ja CMS)! julkistivat uuden bosonin löytymisen. Massa 126 GeV. Merkitys: Hiukkasfysiikan Standardimallin kokeellinen vahvistus.

14 Taustaa: 1960-luvun alussa tiedettiin:! Sähkömagnetismia kuvaa mittakenttäteoria eli massaton välittäjähiukkanen. Heikkoa vuorovaikutusta välittää massiivinen hiukkanen.! Miten kuvata tällaista matemaattisesti ristiriidattomasti? Vastaus: Higgsin mekanismi, jonka esittivät toisistaan riippumatta! Englert ja Brout (heinäkuu 1964)! Higgs (elokuu 1964)! Guralnik, Hagen ja Kibble (lokakuu 1964) Epärelativistinen tapaus: Anderson (1962) Mekanismi selitti suprajohtavuuden aineessa!! (Bardeen, Cooper, Schrieffer; Nobel 1972) Oleellinen osa hiukkasfysiikan Standardimallissa,! sähkömagneettista ja heikkoa vuorovaikutusta! kuvaavassa osassa (Glashow, Salam, Weinberg; Nobel 1979)

15 Hiukkasfysiikan Standardimalli Perushiukkaset: 6 leptonia,! (elektroni, myoni, tau ja näiden neutriinot)! 6 kvarkkia,! vuorovaikutusten välittäjät,! fotoni (SM), W ja Z (heikko)! ja gluoni (vahva) Teorian matemaattisesti ristiriidaton! muotoilu vaatii Higgsin mekanismin,! ja eritysesti Higgsin bosonin! olemassaolon. Oleellinen osa Higgsin mekanismia on Y. Nambun huomio:! Luonnolaeissa voi olla symmetrioita, mutta luonnossa! esiintyvissä ratkaisuissa nämä voivat olla piilotettuja. (Nobel 2008)

16 Tyhjiö:! Higgsin bosonien! tiivistymä Massa=! Hiukkasen ja Higgsin! vuorovaikutusenergia Elektroni,! massiivinen Fotoni,! massaton E = mc 2 ) m = E/c 2 myös Higgsin bosonin! oma massa syntyy näin!

17 Perustutkimus on edennyt kohti pienempiä ja pienempiä etäisyyksiä: Klassinen fysiikka: mm=10-3 m! Atomifysiikka: nanometri=10-9 m! Ydinfysiikka: femtometri=10-15 m! Hiukkasfysiikka: attometri=10-18 m (=alkeishiukkasen koko) Ja samalla myös kohti suurempia ja suurempia: Ydinfysiikka > astrofysiikka 10 9 m! Hiukkasfysiikka > kosmologia m Varhainen maailmankaikkeus:! Alkeishiukkasten maailma

18 Maailmankaikkeus hallitaan kokonaisuutena Ikä: 13.8 miljardia v. Galaksit syntyvät: miljardi v. Kosminen taustasäteily: v. Protonit syntyvät: 10-6 s. Higgsin bosonit tiivistyvät: s. Varhainen maailmankaikkeus:! Alkeishiukkasten maailma

19 Kosmologian tarkkuushavainnot: Planck satelliitti ( ) Tavoite:! mitata kosmisen taustasäteilyn! ominaisuuksia Erityisesti:! Maailmankaikkeuden! energiajakauma

20 Standardimallin mukaiset hiukkaset! selittävät vain näkyvän tavallisen aineen Mitä ovat pimeä aine ja energia?!! Mikä on pimeän massan (95.1%) alkuperä?

21 Yhteenveto Higgsin hiukkasen löytyminen CERNissä:! - Kaikki Standardimallin sisältämät hiukkaset havaittu.! - Näkyvän aineen massan alkuperä ymmärretään. Tiedetään pimeän aineen olemassaolo,! mutta ei tiedetä mitä se on. Miksi maailmankaikkeudessa on ainetta,! mutta ei antiainetta?

22 I was like a boy playing on the sea-shore, and diverting myself now and then finding a smoother pebble or a prettier shell than ordinary, whilst the great ocean of truth lay all undiscovered before me. (Isaac Newton)!!!