Hiukkasten lumo: uuden fysiikan alku Oili Kemppainen 29.09.2009
Hiukkasfysiikka tutkii luonnon perusrakenteita Käsitykset aineen rakenteesta ja luonnonlaeista muuttuneet radikaalisti Viimeisin murros 1960- ja 1970 luvuilla: kvarkkimalli ja sähköheikko teoria hiukkasfysiikan standardimalli uusi tutkimuksellinen maailma
Hiukkasfysiikka 1950- ja 1960-luvuilla Nukleonien kaltaisia hiukkasia löydettiin useita Kiihdytin- ja ilmaisinteknologiat kehittyivät 1952 käyttöön kuplakammio ja synkrotroni Stanfordin kuplakammio, jossa 8.9 GeV:n pp-törmäyksessä syntyy pioneja ja kaoneja
Löydetyt hiukkaset eivät voineet olla aineen perusosia: Yksinkertaisuusperiaate Viitteitä nukleonien sisäisestä rakenteesta Oudot hiukkaset löydettiin 1947 Oudoilla hiukkasilla on pitkä elinaika ja ne syntyvät aina pareittain Outoja, sillä eivät sopineet yhteen hiukkasfysiikasta rakennetun mallin kanssa Oudoilla hiukkasilla on pitkä elinaika ja ne syntyvät aina pareittain Outouden säilymislaki Kvanttiluku S Kokeellinen vahvistus Teoreettista taustaa ei tunnettu
1960-luvun alussa esitettiin uusi malli hadronien luokittelua varten: Multipletit, joissa hiukkasilla sama outous, baryoniluku sekä spin ja lähes samat massat Supermultipletit, joissa outous ja isospin vaihtelvat Spin ½-baryonien oktetti on supermultipletti, jossa multipletit ovat vaakasuorissa linjoissa
Kaikki 1960-luvulla tunnetut hiukkaset sopivat supermultipletteihin, mutta niihin jäi aukkoja Ennuste tuntemattomista hiukkasista Mallin suurin saavutus Ω :n löytyminen 1964 Kuplakammiokuva ensimmäisestä Ω :sta Malli oli toimiva, mutta ei tiedetty miksi se toimi niin hyvin
Vuonna 1964 esitettiin selitys hadronien ryhmittymiselle supermultipletteihin: Uusi kvanttiluku väri Kvanttiväridynamiikka Hadronit koostuvat kvarkeista u, d ja s Baryoni = kolme kvarkkia Mesoni = kvarkki ja antikvarkki Yksinkertainen kvarkkimalli selitti tunnetut hiukkaset sekä niiden ominaisuudet Varaus murto-osa alkeisvarauksesta Kvarkit kehitettiin malliksi, mutta niiden olemassaolo on kokeellisesti todennettu Selitys outoudelle ja sen säilymislaille sekä nukleonien koolle
Sähköheikko teoria Sähkömagneettinen ja heikko vuorovaikutus ovat hyvin erilaisia, mutta niillä on silti yhteisiä piirteitä Oletus: vuorovaikutuksilla on yhteinen alkuperä Teoria muotoiltiin 1960- ja 1970- lukujen taitteessa kvarkkien käyttäytymisen selittämiseksi
Riittävän suurilla energioilla smg- ja heikko vuorovaikutus ovat keskenään samanlaisia Sähköheikko vuorovaikutus on neljän bosonin välittämä Ennusteita: Neutraalit virrat Useampien kvarkkimakujen olemassaolo Neutraalit virrat ja siten Z- bosoni löytyivät 1973 CERN:issä, W-bosonit 10 vuotta myöhemmin
Lumohypoteesin synty Kvarkkimalli ja sähköheikko teoria johtivat ennusteeseen neljännen kvarkkimaun olemassaolosta Symmetriaa kvarkkien ja leptonien välillä: - Esiintyvät pareittain - Voivat muuttua parikseen - Neljännen kvarkin ominaisuuksista ennusteita Neljäs kvarkki täydentäisi symmetrian ja selittäisi tiettyjen hiukkasreaktioiden havaitut pienet todennäköisyydet Kvarkkien määrä yhteydessä hiukkasten muodostumistodennäköisyyksiin: R = i ( kvarkin i varaus) 2 = hadroni myonipari Kolme kvarkkia: R = 2 Neljä kvarkkia: R = 3 ½
Kokeita R:n mittaamiseksi 1974 Alle 3 GeV:n alueella R 2 Yli 3 GeV:n alueella R:n arvo heilahteli odottamattomasti Syynä tuntemattomat resonanssit? Mittaustuloksia R:n määrittämiseksi
Lumo löytyy Kun 3 GeV:n aluetta tutkittiin tarkemmin, löydettiin uusi resonanssi, jonka ominaisuuksia ei voitu selittää kolmen tunnetun kvarkin avulla Pitkä elinikä ja suuri massa Voi hajota hadroneiksi tai elektroni-positroni pariksi Uusi resonanssi nimettiin J/ψ:ksi. Tässä sen hajoaminen kahdeksi pioniksi.
J/ψ:n ominaisuudet selittyvät, jos sen oletetaan olevan cc-mesoni: Kvarkkien annihilaatio suhteellisen hidas prosessi Vapautunut energia voi materialisoitua hadroneina tai leptoneina
Koska J/ψ ei sisällä nettolumoa, uuden kvarkkimaun varmistamiseksi oli löydettävä lumottuja hiukkasia Lyhytikäisten hiukkasten etsiminen oli hankalaa, mutta ensimmäinen D- mesoni löydettiin 1976 Neutriinon ja protonin reaktio, jossa syntyy virittynyt D*, protoni ja negatiivinen myoni.
Symmetria rikkoontuu vielä kerran Vuonna 1975 löydettiin viides leptoni, tau On olemassa kolmas hiukkassukupolvi, jonka täydentämiseen tarvitaan kaksi uutta kvarkkimakua Viides kvarkkimaku kauneus löytyi 1977 ϒ-resonanssista 9.5 GeV:n kohdalta. Lisätodisteita saatiin B- mesonien löytymisestä. Ensimmäisiä viitteitä t-kvarkista 1980- luvulla, todennettiin 1995 m 175 GeV! B-kvarkin löytyminen vahvisti ideaa symmetriasta aineen perusrakenneoien välillä
Syitä ja seurauksia Lumottujen hiukkasten löytyminen todensi symmetrian kvarkkien ja leptonien välillä Havainto varmistui kolmannen sukupolven löytymisen myötä Tunnetut hiukkassukupolvet Luonto toistaa itseään eri energiatasoilla
Lumokvarkin löytyminen voitto sekä sähköheikolle yhtenäisteorialle että kvarkkimallille Kvarkit hadronien todellisia rakenneosasia Kvanttiväridynamiik ka Hiukkasfysiikan standardimalli Vuorovaikutusten yhdistäminen
Käytettävissä oleva teknologia määrittelee sen, miten luontoa voidaan tutkia Teoreettinen ja kokeellinen kehitys tapahtuvat aina rinnakkain 1990-luvulle päivitetty Livingstonin kuvaaja. Hiukkasfysiikassa käytetyt energiat ovat kasvaneet eksponentiaalisesti.
Kiinnostus suuriin energioihin liittyy uuden löytämiseen: Raskaiden hiukkasten syntyminen vaatii paljon energiaa Vuorovaikutusten yhdistymisellä tietty kynnysenergia Kvarkkien massat niiden löytymisvuoden funktiona.
Käsitys siitä, mitkä ovat aineen perusrakenneosasia, on muuttunut ja tulee muuttumaan Pimeä aine koostuu neutraliinoista, jotka annihiloivat toisensa ja synnyttävät hiukkassuihkuja ja säteilyä tai sitten ei Standardimalli on saanut paljon kokeellista tukea, mutta sillä on myös pahoja rajoitteita
Lähteet: Brehm, J.J & Mullin, W.J., 1989. Introduction to the Structure of Matter. John Wiley & Sons. Bryant, P.J, 1992. A Brief Histrory and Rewiev of Accelerators. Teoksessa: CAS-CERN Accelerator School: 5th General Accelerator Physics Course, Jyväskylä, Finland, 7-18 1992, pp. 1-16. Huitu, K., 2008. Uusi fysiikka LHC:llä. Dimensio 3/08, 53-58. Kane, G., 1995. Kvarkkitarha. Alkeishiukkasten maailma. (The Particle Garden. Understood by Particle Physicist.) Suomentanut Kimmo Pietiläinen. Art House. Our Universe as Kragh, H., 1999. Kvanttisukupolvet. Suomentanut Kimmo Pietiläinen. Helsinki: Terra Cognita. Livingston, S. M., 1954. High Energy Accelerators.New York: Interscience. Maalampi, J. & Perko, T., 2002. Lyhyt modernin fysiikan johdatus. 3. korjattu Limes. painos. Helsinki: Miettinen, H. I., 1981. Kvarkit. Teoksessa Ratio, R. (toim.) Alkeishiukkasten maailma. Kvarkeista aikojen alkuun. Helsinki: Suomen fyysikkoseura. Tähtitieteellinen yhdistys Ursa. Montonen, C., 1981. Teoreettinen hiukkasfysiikka. Teoksessa Ratio, R. (toim.) Alkeishiukkasten maailma. Kvarkeista aikojen alkuun. Helsinki: Suomen Fyysikkoseura. Tähtitieteellinen yhdistys Ursa. Ne eman, Y. & Kirsh, Y., 1983 & 1986. The Particle Hunters. Updated version. Cambridge University. Ruuskanen, V., 1981. Hiukkasen historiaa. Teoksessa Ratio, R. (toim.) Alkeishiukkasten maailma.