Hyvä käyttäjä! Tämä pdf-tiedosto on ladattu Tieteen Kuvalehden verkkosivuilta (www.tieteenkuvalehti.com). Tiedosto on tarkoitettu henkilökohtaiseen käyttöön, eikä sitä saa luovuttaa kolmannelle osapuolelle. Tekijänoikeudellisista syistä tiedostossa ei ole kuvia. Ystävällisin terveisin Toimitus
Maailmankaikkeuden pienempien osasten etsintään tarvitaan suuria laitteita. Kuvassa on vain yksi Higgsin hiukkasia etsivän CMSkoeaseman magneeteista. 60 Illustreret Videnskab nr. 3/2003
Higgsin hiukkasten jäljillä Tuhannet insinöörit, teknikot ja fyysikot valmistelevat mittavaa koetta, jossa pyritään selvittämään painovoiman salaisuutta. Jos koe onnistuu, saadaan selville, miksi maailmankaikkeudessa on massaa. Geneven laitamilla Sveitsin ja Ranskan rajalla fyysikot valmistautuvat yhteen kaikkien aikojen tärkeimmistä kokeista. Kokeen on määrä selvittää niin kutsutun Higgsin bosonin olemassaolo, jota tutkijat ovat yrittäneet havaita jo 30 vuoden ajan. Higgsin bosoni on yksi modernin fysiikan perusteista, sillä teorian mukaan Higgsin bosonin olemassaolo on syynä siihen, että maailmankaikkeudessa ylipäänsä on massaa. Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuslaitoksessa Cernissä on rakenteilla maailman suurin hiukkaskiihdytin, LHC. Lyhenne tulee sanoista Large Hadron Collider, jotka tarkoittavat raskaiden hiukkasten, hadronien, törmäyttämiseen tarkoitettua laitetta. LHC-kiihdytin rakennetaan ympyränmuotoiseen tunneliin, jonka pituus on 27 kilometriä. Tunneli kulkee maan alla, joten valtavasta laitoksesta ei päällepäin näy juuri mitään. Idyllisten maisemien keskellä on itse asiassa vaikeaa kuvitella, että 100 metrin syvyydessä rakennetaan maailman mittavinta fysiikan tutkimuslaitosta. Fysiikan maailma murentui LHC-kiihdyttimen historia on pitkä ja juontuu itse asiassa kahdesta asiasta. Ensinnäkin törmäyttimen taustalla on fysiikan kehitys 50 viime vuoden aikana ja toiseksi uusi tekniikka, joka mahdollistaa maailman suurimman hiukkastutkimuslaitteen rakentamisen. Ennen fysiikka tuntui olevan yksinkertaista. Tiedettiin, että atomi koostuu positiivisesti varautuneesta ytimestä ja sitä ympäröivistä negatiivisesti varautuneista elektroneista. Ydin oli tosin Teksti: Helle ja Henrik Stub. Kuvat: CERN 61
Törmäyksiä maan alla Cernin uuteen LHC-kiihdyttimeen rakennetaan tunneli 100 metriä maanpinnan alapuolelle. CMS- ja ATLAS-koeasemat sijoitetaan vastakkain 27 kilometriä pitkään tunneliin. SVEITSI ATLAS:in laboratoriokeskus RANSKA Kumpaakin koeasemaa varten rakennetaan laboratoriokeskus, josta kiihdyttimen toimintaa valvotaan. CMS:n laboratoriokeskus ATLAS-koeasema Törmäytin HENNING DALHOFF CMS-koeasema Koeasemia varten pitää kaivaa valtavat luolat maan alle. monimutkainen, mutta silti se onnistuttiin kuvaamaan. Nykyisissä fysiikan kirjoissa ydin kuvataan niin, että se koostuu positiivisesti varautuneista protoneista ja varauksettomista neutroneista. Hetken fyysikot luulivat, että maailma koostuu kolmenlaisista hiukkasista: protoneista, neutroneista ja elektroneista. Vähitellen kolmiyhteys hajosi, sillä löydettiin uusia hiukkasia, jotka eivät sopineet valmiiseen kaavaan. Noin vuoden 1930 paikkeilla alettiin lähettää ilmapalloja tutkimaan avaruuden kosmista säteilyä. Avaruudesta Maahan kiitävä säteily koostuu muun muassa alkeishiukkasista. Osa hiukkasista oli tuttuja, mutta mukana oli myös täysin uudenlaisia hiukkasia: elektroneja, jotka olivat positiivisesti varautuneita, ja elektroneja, jotka olivat 200 kertaa niin painavia kuin siihen asti tunnetut. Kosmisen säteilyn tutkimus oli vain alku. Sittemmin fyysikot ovat luoneet uusia hiukkasia laboratoriossa käyttämällä hyväkseen Einsteinin suhteellisuusteorian kuuluisaa kaavaa: E = mc 2. Kaavan mukaan massa voidaan muuttaa energiaksi, mutta muutos voidaan tehdä myös toiseen suuntaan eli muuttaa energiaa massaksi. Uusien hiukkasten syntyminen vaatii paljon energiaa, joka saadaan aikaan törmäyttämällä kovalla vauhdilla eteneviä hiukkasia toisiinsa. Näissä kokeissa fyysikot ovat havainneet kiintoisan seikan: autokolarissa tuloksena on kaksi lommoista autoa, sen sijaan kun kaksi protonia törmää toisiinsa, tuloksena ei ole kahta lommoista protonia. Alkuperäiset protonit katoavat törmäyksessä, ja siinä syntyy uusia hiukkasia. Asiaa voidaan havainnollistaa niin, että alkuperäiset autot häviävät, ja syntyy yksi moottoripyörä ja yksi skootteri. Vuosikymmenten kuluessa fyysikot löysivät kokeissaan kaikkiaan yli 200 erilaista outoa hiukkasta. Kaikilla hiukkasilla oli kuitenkin yksi yhteinen piirre: niiden elinikä oli erittäin lyhyt, jopa vain 10-23 sekuntia. Kyseessä on sama aika, joka kuluu, kun valonsäde matkaa atomin ytimen toiselta laidalta toiselle. Ihmistä ei pitäisi olla olemassa Maailman parhailta fyysikoilta kului 25 vuotta, ennen kuin he saivat hiukkasten sekamelskaan tolkkua. Kyseessä oli suuri palapeli, jossa ensin yritettiin löytää käsitteitä, joilla uusia hiukkasia voitiin kuvata. Sitten niiden ominaisuudet laitettiin monimutkaisiin abstrakteihin matemaattisiin kaavoihin. Niin fyysikot onnistuivat 62 Tieteen Kuvalehti 3/2003
Fyysikot testaavat osia, jotka yhdistämällä saadaan aikaan LHC-kiihdytin. Kiihdyttimessä kaksi protonisuihkua kiitää vastakkaisiin suuntiin lähes valon nopeudella, kunnes suihkut ohjataan toisiaan päin ja ne törmäävät. ennustamaan sellaisia hiukkasia, joiden olemassaolo todistettiin laboratorioissa vasta myöhemmin. 1980-luvun puolivälissä fyysikot uskoivat saaneensa kaikki alkeishiukkaset järjestykseen kasaamalla ne niin kutsutun standardimallin alle. Käsitys maailmasta, joka koostui kolmenlaisista hiukkasista, oli hylätty, ja sen sijaan maailmankaikkeudessa uskotaan nyt olevan 24 alkeishiukkasta, joiden avulla on mahdollista selittää löydetyt yli 200 erilaista hiukkasta. Standardimalli on sittemmin saanut paljon kiitosta, mutta siinä on silti paljon ongelmallisia kohtia. Ensimmäinen ongelma on se, että ihmistä ei pitäisi lainkaan olla olemassa. Kun energia muuttuu aineeksi, kuten tapahtui maailmankaikkeuden alkuaikoina, niin syntyy yhtä paljon ainetta kuin Tieteen Kuvalehti 3/2003 antiainetta. Kun aine ja antiaine kohtaavat, kumpikin muuttuu säteilyksi eli puhtaaksi energiaksi. Itse asiassa maailmankaikkeudessa ei nykyään pitäisi olla lainkaan ainetta tai antiainetta, vaan sen pitäisi olla täynnä säteilyä. Se, että ihminen ylipäänsä on olemassa, johtuu siitä, että jokaista miljardia antiainehiukkasta kohden syntyy miljardi ja yksi ainehiukkanen. Ne atomit, joista ihmiset koostuvat, ovat jäänteitä ajalta, jolloin melkein kaikki aine ja antiaine katosivat valtavaan energiapurkaukseen. Toinen standardimallin ongelma koskee massaa. Alkuperäinen standardimalli ei pystynyt selittämään, miksi joillakin hiukkasilla on massa ja joillakin ei. Pelastukseksi tuli teoria, jonka kehitteli skottifyysikko Peter Higgs. Kehittäjänsä mukaan nimetyssä teoriassa hiukkaset saavat massan, kun ne ovat vuorovaikutuksessa niin kutsutun Higgsin kentän kanssa. Higgsin kenttä puolestaan edellyttää tietyntyyppisen hiukkasen, Higgsin bosonin, olemassaoloa. Kokeessa valon nopeus LHC-törmäyttimellä pyritäänkin löytämään Higgsin bosoneja tai jälkiä niistä. Jos se onnistuu, tarjolla on Nobelin palkinto tutkijoille. Higgsin hiukkasen etsinnän lisäksi LHC:n on määrä tutkia sitä, miten hiukkaset rikkovat symmetrian, siis miksi ainetta syntyy hieman enemmän kuin antiainetta. On paradoksaalista, että mitä pienempiä hiukkasia tutkitaan, sitä suurempia laitteita siihen tarvitaan. Laitteiden koko aiheuttaa tutkimukselle pulmia, joista taloudelliset ongelmat on 63
Fysiikan maailmankuva Fysiikan standardimallin mukaan maailmankaikkeudessa on 24 erilaista alkeishiukkasta: alla olevaan kaavioon merkityt 12 sekä niitä vastaavat antihiukkaset. Nykyisessä maailmankaikkeudessa on tavallisesti vain 1. sukupolven hiukkasia. 2. ja 3. sukupolven hiukkasia syntyy kiihdyttimissä. Niitä on myös kosmisessa säteilyssä. Maailmankaikkeuden hiukkasia pitää paikoillaan neljä voimaa. Niistä painovoiman selittäminen tuottaa nykyfysiikalle vielä ongelmia. Jos Higgsin bosonin olemassaolo saadaan todistettua, myös painovoima voidaan selittää. MAAILMANKAIKKEUDEN HIUKKASET Leptonit Kvarkit 1. sukupolvi Elektroni Elektronineutriino Ylös Alas 2. sukupolvi Myoni Myonineutriino Lumo Outo 3. sukupolvi Tau Tauneutriino Huippu Pohja Kuva fyysikon unelmasta. Kuva on tehty tietokonesimulaatiolla. Se esittää Higgsin bosonin hajoamista (keltaiset viivat). Jos jokin kiihdytin näyttää saman kuvan, fysiikan standardimallin kannattajat ilahtuvat. MAAILMANKAIKKEUDEN VOIMAT Sähkömagneettinen voima Heikko ydinvoima Vahva ydinvoima Painovoima Vaikuttaa varautuneisiin hiukkasiin ja pitää esim. elektronit paikoillaan. Välittäjiä ovat fotonit. Vaikuttaa hiukkasiin, suurin merkitys radioaktiiviselle hajoamiselle. Välittäjiä W- ja Z-bosonit. Pitää kvarkit sekä atomiydinten protonit ja neutronit yhdessä. Välittäjiä ovat gluonit. Vaikuttaa kaikkeen, jolla on massa. Välittäjän oletetaan olevan gravitoni, jota ei ole havaittu. Painovoiman ymmärtämiseksi pitää selvittää, mitä massa on. Avain siihen on Higgsin bosoni. ratkaistava ensin. Tällä kertaa onni oli myötä, sillä Cerniin rakennettiin jo vuonna 1989 kaikkiaan 27 kilometriä pitkä tunneli. Tunneliin rakennettiin LEP-kiihdytin (Large Electron Positron Collider), jossa törmäytettiin elektroneja ja niiden antihiukkasia eli positiivisia positroneja. LEP-kiihdyttimellä tehdyissä tutkimuksissa saavutettiin merkittäviä tuloksia, joista muutama palkittiin jopa Nobelin palkinnolla. Kymmenen vuoden käytön jälkeen oli aika siirtyä eteenpäin. Niinpä tunnelia alettiin tyhjentää, jotta LHC-törmäyttimen rakentaminen saattoi alkaa. Uuden kiihdyttimen on tarkoitus olla valmis vuonna 2005, jolloin Higgsin bosonien etsintä voi alkaa. LHC-törmäytin asettaa fyysikoille uusia sekä teoreettisia että käytännöllisiä haasteita. Kiihdyttimessä törmäytetään protoneja. Protoni koostuu kolmesta kvarkista eli sen rakenne on huomattavasti monimutkaisempi kuin elektronin. Teoreettisesti on siis vaikeampaa laskea, mitä tapahtuu protonien kuin elektronien törmäyksissä. Käytännön ongelmat johtuvat siitä, että protonin massa on 1840 kertaa elektronin massa. Protonien kiihdyttäminen melkein valon nopeuteen vaatii siis paljon enemmän energiaa kuin elektronien kiihdytys. Alkuräjähdyksen energiaa LHC-kiihdyttimessä kaksi protonisuihkua kulkee tunnelissa vastakkaisiin suuntiin. Protoneille annetaan 14 TeV:n energia. Energiamäärä on samanaikaisesti käsittämättömän pieni ja suuri. Yksi TeV (teraelektronivoltti) vastaa kutakuinkin muurahaisen liike-energiaa. LHC-kiihdyttimessä tämä energia keskitetään alueelle, joka on biljoona kertaa pienempi kuin muurahaisen ala. Tällöin syntyy energiatiheys, joka vastaa maailmankaikkeuden ensimmäisinä sekunteina vallinnutta energiatiheyttä. LHC-kiihdyttimessä protonit kiihdytetään synkrotronirenkaan magneeteilla. Magneetit luovat 9 teslan magneettikentän eli kyseessä on 200 000 kertaa Maan omaa magneettikenttää voimakkaampi kenttä. Törmäyttimen magneettien on oltava suprajohtavia, joten niiden on oltava lämpötilassa, joka on vain neljä astetta absoluuttista nollapistettä korkeampi. Kun protonisuihkut on kiihdytetty oikeaan nopeuteen, on vuorossa törmäys. Fyysikot ovat laskeneet, että protonisuihkujen ollessa optimaalisessa suunnassa toisiinsa nähden saadaan aikaan 800 64 Tieteen Kuvalehti 3/2003
LHC:n jäähdytys on taitolaji. Jotta kiihdyttimen magneetit luovat tarpeeksi voimakkaan magneettikentän, niiden on oltava suprajohtavia. Se onnistuu vain lämpötilassa, joka on neljä astetta absoluuttisen nollapisteen yläpuolella. miljoonaa törmäystä sekunnissa. Jokaisessa törmäyksessä syntyy paljon hiukkasia, joiden joukossa toivotaan olevan myös muutama Higgsin bosoni. Seuraavana haasteena on näiden bosonien löytäminen, ja se on huomattavasti vaikeampaa kuin neulan löytäminen heinäsuovasta. Kiihdyttimeen rakennetaan neljä koeasemaa, joista CMSkoeasema on suunniteltu niin, että Higgsin bosoneja voidaan etsiä optimaalisesti. Asema rakentuu sisäkkäisistä sylinterimäisistä hiukkasilmaisinkerroksista, joilla kullakin on oma tehtävänsä törmäyksessä syntyvien hiukkasten mittauksessa. Kun ilmaisimet nappaavat hiukkaset voimakkaaseen magneettikenttään ja mittaavat, miten paljon hiukkaset kaartuvat, saadaan selville niiden liikemäärä. Kun lisäksi mitataan hiukkasten energia Tieteen Kuvalehti 3/2003 käyttämällä jättimäistä kalorimetriä, voidaan laskea muut ominaisuudet ja saadaan selville, mikä hiukkanen on kyseessä. Kun kiihdytin toimii täydellä teholla, rekisteröidään neliömillimetrillä 100 000 hiukkasta sekunnissa. Niinpä seuraavaksi alkaa lajittelu, sillä luultavasti yli 99,99 prosenttia törmäyksistä ei kiinnosta tutkijoita. Työ vaatii 10 miljoonan MIPS:n (miljoonaa laskutoimitusta sekunnissa) laskentatehon, mikä vastaa 10 000 huippumodernin pc:n tehoa. Vain varjoja Higgsin hiukkasesta Jos kaikki onnistuu, fyysikot havaitsevat ilmaisimessa pieniä jälkiä. Varsinaisia Higgsin bosoneja ei päästä näkemään, sillä ne hajoavat jo ennen kuin ne poistuvat ilmaisimesta. Jos kuitenkin Peter Higgsin ja muiden fyysikoiden laskelmat pitävät paikkansa, niin tiedetään, millä tavalla Higgsin bosonit hajoavat. Ilmaisimesta toivottavasti löydettävät jäljet ovat siis bosonien hajoamistuotteita. Riemu olisi ylimmillään, jos fyysikot havaitsisivat ilmaisimessa käyrän, joka vastaa teoreettisten laskelmien perusteella saatua käyrää. Silloin olisi selvää, että Higgsin bosoneja on olemassa ja samalla olisi myös selitetty, miksi universumissa on massaa. Mahdollinen Higgsin hiukkasen löytyminen on kuitenkin vasta alku. Sitä seuraavassa koesarjassa on tavoitteena löytää selitys pienelle symmetriarikkeelle, joka tapahtui alkuräjähdyksen jälkeen ja johti siihen, että maailmankaikkeudessa ainetta on enemmän kuin antiainetta. LHC-kiihdyttimen avulla yritetään siis selvittää sekä se, miksi meillä on massa, että se, miksi me olemme olemassa. 65