Higgsin fysiikka

Higgsin hiukkasta tutkimassa LHC:llä

PDF

1. Johdanto

Lyhenne LHC tarkoittaa CERNin Suurta Hadronitörmäytintä, Large Hadron Collider. CERN on yhteiseurooppalainen Euroopan hiukkasfysiikan laboratorio, jonka nimi juontaa sitä perustamaan asetetun komitean nimestä: ”Conseil Européenne pour la Recherche Nucléaire” . CERN sijaitsee Sveitsissä, lähellä Geneveä, Sveitsin ja Ranskan raja-alueella. CERNin tutkimuslaitokseen kuuluu jäsenmaina 20 Euroopan valtiota, lisäksi useat muut maat (kuten Yhdysvallat, Japani, Intia, Venäjä jne yhteensä 85 maata) osallistuvat kokeisiin.

LHC-törmäytin aloitti protoni-protoni-törmäysten tuottamisen vuonna 2010. LHC:llä tutkitaan toinen toistaan upeampia ideoita hiukkasfysiikan standardimallia syvällisemmiksi teorioiksi. Fysiikan tutkimuslaitoksen (HIP) ja Helsingin yliopiston fysiikan laitoksen kokeellinen ryhmä ja fenomenologiaryhmä ovat vahvasti mukana Higgsin bosonien tutkimisessa LHC:llä.

Seuraavassa tutustumme erityisesti Higgsin bosonien etsimiseen LHC:llä.  Ensimmainen kappale kuvailee muutamia teorian kannalta oleellisia hiukkasfysiikan standardimallin pääpiirteitä ja mallin kehitystä ensimmäisistä havainnoista ja ideoista nykyiseksi standardimalliksi.  Standardimallissa on kuitenkin vakavia puutteita, joita standardimallia syvällisemmän teorian oletetaan korjaavan. Tällaisia teorioita voisivat olla esimerkiksi supersymmetriset teoriat ja teoriat, joissa on uusia ulottuvuuksia. Kappaleessa 2.3 käsitellään näitä teorioita. LHC-kokeet, erityisesti CMS-koe, ja niitten toimintaperiaatteet esitellään lyhyesti kappaleessa 3.1. Kappale 3.2 käsittelee Higgsin bosonin etsimistä koetuloksista ja uutta tieteellistä löytöä. Jonkun verran lähemmin tarkastellaan HIPin kokeellisen ryhmän pääprojektia, varattujen Higgsin bosonien etsimistä.

 

2. Teoreettinen tausta

Mitä ovat ne hiukkaset, joista nyt on kyse? Otetaan pala ainetta. Se koostuu atomeista, jotka ovat kooltaan noin Ångström eli 10-10m, ytimen siitä kymmenestuhannesosa, protonin sadastuhannesosa ja elektronin ja kvarkkien pienempi kuin 10-18m. Tämä on se pituusskaala, johon tällä hetkellä kokeellisesti päästään. Kokeellisesti ei voi siis tällä hetkellä sanoa, ovatko kvarkit ja elektronit pistemäisiä, vai onko niillä joku läpimitta.

2.1 Historiallinen katsaus

Hiukkasfysiikan voinee sanoa alkaneen Thompsonin löydettyä elektronin 1898, vaikka tuolloin ei vielä hiukkasten maailmassa oleellista kvanttimekaniikkaa tunnettukaan. Kvanttimekaniikka syntyi useiden fyysikkojen yhteistyönä, mutta lähtölaukauksen kvanttien suuntaan antoi Planck vuonna 1900 todetessaan säteilyn esiintyvän kvantteina. Einstein otti tämän todesta ja näytti, että valosähköisen ilmiön aiheuttivat nimenomaan valokvantit eli fotonit. Einsteinin suppea suhteellisuusteoria on toinen hiukkasfysiikan tärkeä komponentti – kvanttimekaniikka ja suppea suhteellisuusteoria yhdistyvät kvanttikenttäteoriassa, joka on hiukkasfysiikan perustyökalu. Hiukkasfysiikan kokeet perustuvat Einsteinin kuuluisaan yhtälöön E=mc2, joka kertoo, että suurienergiset hiukkaset törmätessään voivat tuottaa uusia painavia hiukkasia.

Elektronin löytymisen jälkeen kului parikymmentä vuotta, kunnes protoni löydettiin. Tällöin moni oli sitä mieltä, että muita hiukkasia ei tarvitakaan, sillä elektronin ja protonin avulla saatiin neutraali atomi. 1930-luvulle tultaessa ymmärrettiin, että tarvitaan neutriinoksi kutsuttu neutraali hiukkanen, joka huolehtii energian säilymisestä tietyissä hajoamisissa. Huomattiin, että tarvitaan myös olemassa oleville hiukkasille niin sanottuja vastahiukkasia eli hiukkasia, joilla on vastakkainen sähkövaraus. Protonin lisäksi ytimestä löydettiin neutroni ja todettiin, että sähkömagneettisen fotonin välittämän vuorovaikutuksen lisäksi tarvitaan muita vuorovaikutuksia. Kosmisista säteistä löydettiin 200 kertaa elektronin massainen hiukkanen, joka myöhemmin tunnistettiin elektronin kaltaiseksi, mutta painavammaksi myoniksi. Hiukkasia tehtailtiin suuret määrät 1950- ja 1960-luvuilla. Toisin kuin aiemmin tunnetut, näitä ei löydetä luonnosta, vaan ne täytyy tuottaa keinotekoisesti. Gell-Mann ja Zweig tutkivat näiden uusien hiukkasten välisiä suhteita toisiinsa ja ymmärsivät 1964, että ne voitiin saada aikaan uudenlaisista hiukkasista, kvarkeista. Kaikki löydetyt hiukkaset voitiin muodostaa kolmesta kvarkista, joita kutsuttiin nimillä ylös, alas ja outo.

Kvarkkeja ei hyväksytty vielä vuosiin todellisiksi hiukkasiksi, koska niitä ei nähty erillisinä. Sittemmin on ymmärretty, että tämä johtuu kvarkkien erityisistä ominaisuuksista – niitä ei koskaan nähdä vapaina, vaan aina sitoutuneena niin sanottujen liimahiukkasten välityksellä toisiinsa. Samaan aikaan teoriapuolella oli löydetty tapa, miten tehdä kvanttikenttäteoria, jossa on ns. ei-abelinen symmetria. Symmetriat hiukkasfysiikan teorioissa ovat pitkään olleet oleellinen tapa ymmärtää luonnonlakeja. Kvarkit sisältävä kvanttikenttäteoria on juuri ei-abelinen. Tämä johti Sheldon Glashown kirjoittamaan sähköiset ja niin sanotut heikot vuorovaikutukset yhdistetyssä muodossa 1961. Vaikea ongelma hänen konstruktiossaan oli, että teoria antoi kokeiden vastaisesti massattomat vuorovaikutuksen välittäjähiukkaset, ellei halunnut jo tekovaiheessa rikkoa teorian symmetrioita.

Jonkin aikaa näyttikin siltä, että teoria ei olisi kovin hyödyllinen, mutta ratkaiseva käänne tapahtui, kun Peter Higgs ja riippumattomasti Francois Englert ja Robert Brout kehittivät tavan rikkoa symmetria spontaanisti. Mitä tämä sitten tarkoittaa? Se tarkoittaa, että otetaan mukaan hiukkaset teorian kaikkine symmetrioineen, mutta teorian mukaan tyhjiö on sellainen, että sillä ei ole samoja symmetrioita. Toisin sanoen systeemi, joka hakeutuu mahdollisimman alhaisen energian tilaan, ei ole teorian symmetrisessä kohdassa. Tällöin automaattisesti osasta vuorovaikutusten välittäjähiukkasia tulee massallisia, kuten tiedämme luonnossa olevan. Steven Weinberg ja Abdus Salam tarttuivat uuteen ajatukseen ja yhdistämällä sen sähköheikkoon teoriaan kehittivät hiukkasfysiikan standardimallin.

Standardimallissa elektronia, elektronin neutriinoa, ylös- ja alaskvarkkeja kutsutaan ensimmäiseksi sukupolveksi. Tällaisia sukupolvia standardimallissa on kolme. Näistä toinen sukupolvi (myoni, myonin neutriino ja lumo- sekä outokvarkit) ovat ensimmäistä painavampia ja kolmas sukupolvi (tau, taun neutriino, bottom- ja top-kvarkit) toista painavampi. Kolmatta sukupolvea edustava tau, joka on elektronia yli 3000 kertaa painavampi, oli täysin odottamaton löytö 1976. Sittemmin on löydetty myös muut kolmannen sukupolven hiukkaset: viimeisenä taun neutriino vuonna 2000 sekä kvarkit bottom ja top, vuosina 1977 ja 1995. Nämä hiukkaset vuorovaikuttavat keskenään vaihtamalla vuorovaikutuksen välittäjähiukkasia.

Tarkastellaan hieman tarkemmin vuorovaikutusten välittäjähiukkasia. Näitä tunnetaan vahvan vuorovaikutuksen gluoni eli liimahiukkanen, joka pitää ytimen rakenneosasia koossa, sähkömagneettisen vuorovaikutuksen fotoni eli valohiukkanen, jonka avulla muun muassa näemme ja heikon vuorovaikutuksen neutraali Z-bosoni ja varatut W+/-, jotka pitävät huolen painavampien sukupolvien hajoamisesta kevyempiin sekä selittävät muun muassa auringon energiantuotannon. Standardimalli ei kerro mitään painovoimasta, joka on arkielämässä hyvin tunnettu vuorovaikutus. Täytyy olla standardimallia syvällisempi teoria, joka kertoo, miten painovoima vaikuttaa hiukkasiin. Standardimalli on hyvä teoria sillä energia-alueella, jolla teemme nyt mittauksia, mutta sen voimassaoloalue on rajattu. Sanotaan, että standardimalli on efektiivinen teoria.

Standardimallissa on edellisten hiukkasten lisäksi Higgsin bosoni, joka vuorovaikuttaa kaikkien standardimallin massallisten hiukkasten kanssa.

Miten tämä liittyy symmetrian rikkoutumiseen ja hiukkasten massoihin? Kaikki fysikaaliset systeemit pyrkivät mahdollisimman alhaiseen energiatillaan. Jos katsotaan potentiaalienergian osuutta Higgsin kentän osalta, standardimallissa osoittautuu, että alhaisin tila ei ole kentän nollakohdassa, vaan tyhjiössä Higgsin kentällä on nollasta eroava arvo. Jos kyseiseen tyhjiöön sitten tulee hiukkanen (mukaan lukien Higgsin bosoni itse), kutsumme hiukkasen vuorovaikutusta Higgsin kentän kanssa hiukkasen massaksi. Higgsin hiukkasen havaitseminen oli LHC-kokeen ensimmäinen tavoite ja se saavutettiin jopa oletettua nopeammin – heinäkuun 4. vuonna 2012 CERNissä järjestetyssä tilaisuudessa LHC-kokeet ilmoittivat uuden hiukkasen löydöstä ja hiukkanen näytti mittaustarkkuuden rajoissa Higgsin hiukkaselta.

Vaikeus Higgsin hiukkasen etsinnässä on ollut epätietoisuus sen massasta. Tutkaillaan hieman, millaisella massan arvolla Higgsin havaitseminen oli odotettavissa. Hiukkasfysiikassa massan yksikkönä kg olisi kömpelö ja hiukkasten massasuhteet ehkä vaikeasti miellettävissä, joten yleensä käytetään yksikkönä eV/c2 ja sen monikertoja (kilo, mega, giga,tera,…). Tässä eV on se energiamäärä,  jonka elektroni saa kulkiessaan yhden voltin potentiaalieron läpi ja c on valon nopeus, joten 1 eV/c2 = 1,78×10-36 kg. Merkitään lisäksi yleensä c=1, mikä helpottaa kirjoittamista. Higgsin bosonia on etsitty kokeellisesti hiukkasfysiikan kokeissa pitkään ja ennen LHC:n käynnistymistä massan alarajaksi tiedettiin 114,4 GeV.

Higgsin hiukkasen massa ei voi olla mitä tahansa. Massa on teoreettisesti rajoitettu riippuen energiaskaalasta, mihin asti standardimallin oletetaan olevan voimassa. Higgsin mekanismin täytyy hoitaa tehtävänsä eli tuottaa hiukkasten massa, ja toisaalta Higgsin potentiaalilla täytyy olla maailmankaikkeudelle sopiva minimi. Nämä vaatimukset rajoittavat Higgsin hiukkasen mahdollisia massoja. Esimerkiksi, jos standardimalli olisi pätevä teoria aina Planckin skaalaan asti, jossa painovoima tulee hiukkasten välillä tärkeäksi, Higgsin hiukkasen massa olisi hyvin tarkoin rajoitettu olemaan noin 180 GeV. Toinen massaraja saadaan lähtien hyvin yleisestä periaatteesta, että todennäköisyyden pitää säilyä esimerkiksi kahden heikon vuorovaikutuksen välittäjähiukkasten sironnassa toisistaan. Havaitaan, että Higgsin bosonin massan tulee olla alle 870 GeV. Näillä tiedoilla oltiin varmoja, että jos Higgsin bosoni olemassa, se löytyisi LHC-kokeissa.

2.3 Mitä Standardimallin jälkeen?

Suurilla energiaskaaloilla teoria täytyy hyvin tarkoin hienosäätää. Nimittäin kun tarkastellaan kvanttifysikaalisia säteilykorjauksia Higgsin massaan, havaitaan että korjaukset ovat suuria. Ne ovat verrannollisia suurimpaan teoriassa esiintyvään massaskaalaan, ja ilman epäluonnollisia kumoutumisia Higgsin massa olisi samaa kertaluokkaa (ellei siis jo 1 TeV skaalassa mukaan tule uutta teoriaa). Monien mielipide on, että hyvin tarkasti säädetty teoria ei ole luonnollinen. Tällaiset kumoutumiset voivat olla luonnollisiakin, jos on joku symmetria, joka pitää huolen kumoutumisista. Sellainen symmetria on 1970-luvulla kehitetty supersymmetriateoria. Supersymmetrisessä teoriassa jokaiseen standardimallin hiukkaseen liittyy toinen hiukkanen, jonka spiniksi kutsuttu ominaisuus poikkeaa puolikkaalla standardimallin hiukkasesta. Tällaisessa teoriassa kvanttikorjaukset Higgsin massaan kumoutuvat juuri sopivasti.

Supersymmetriamallin Higgsin sektori eroaa joiltain osin standardimallin Higgsin sektorista. Higgsin hiukkasia on standardimallin yhden hiukkasen sijasta vähintään viisi. Kahdella näistä hiukkasista on sähkövaraus (H+ ja H- bosonit) ja loput ovat neutraaleja. Kevyimmän massa on teoriassa rajoitettu korkeintaan noin 135 GeV:iin. Näin ollen kevyin Higgs hajoaa aina lähinnä bottom-kvarkkipareihin ja painavampien hajoamismoodit riippuvat jossain määrin teorian parametrien arvoista. Myös kokeelliset massarajat kevyimmälle Higgsille ovat jonkin verran heikompia kuin standardimallin Higgsille.

Edellä on esitelty lähinnä Higgsin sektoria, joka onkin tulevien kokeellisten havaintojen kannalta erityisen tärkeä. Palataan hetkeksi standardimalliin ja katsotaan, mitä mahdollisia muita ongelmia standardimallilla on.

Ensimmäiseksi on syytä todeta, että standardimalli on aivan erinomainen teoria. Se tunnetaan erittäin hyvin. Painavin kvarkki havaittiin lähes kaksi vuosikymmentä sitten ja viimeinenkin neutriinoista, taun neutriino, yli kymmenen vuotta sitten. Kun standardimallin noin 20 parametria on mitattu, muut havaittavat suureet voidaan ennustaa ja ennustukset on viimeisen yli 40 vuoden aikana testattu tarkkaan, monet useiden desimaalien tarkkuudella.

Standardimallin havaituista hiukkasista vaikeimmin tutkittavia ovat neutriinot. Neuriinokokeissa on kuitenkin onnistuttu todentamaan, että neutriinolaadut edetessään muuttuvat toisikseen, mikä on mahdollista, jos neutriinoilla on massa. Standardimallissa neutriinot ovat täysin massattomia, mutta havaintojen perusteella neutriinoilla on pieni nollasta erottuva massa. Massa on niin pieni, että sitä ei ole pystytty mittaamaan, vaan vain neutriinoiden massaeroja. Joka tapauksessa pelkkä massan olemassaolo kertoo, että standardimallia syvällisempi teoria on olemassa.

Myös niin sanottu CP-symmetrian rikko standardimallissa on epäsuorasti ristiriidassa koetulosten kanssa: standardimallin CP-rikko (joka on kokeiden kanssa hyvässä sopusoinnussa) ei ole riittävä tuottamaan maailmankaikkeuden materiaa.

Kolmas mysteeri, joka kokeellisesti on todennettu, on niin sanottu pimeä aine. Jos galakseissa olisi vain niissä näkyvä aine, galaksien pitäisi hajota nopeasti. Näin ei tapahdu, joten jo 30-luvulla pääteltiin, että täytyy olla niin sanottua pimeää ainetta suurena halona galaksin ympärillä. Täksi aineeksi ei sovi mikään tällä hetkellä tuntemamme ainehiukkanen. WMAP-satelliittikokeiden perusteella pimeää ainetta on kaikesta maailmankaikkeuden energiatiheydestä noin neljännes. Vuonna 2006 eräs yhdysvaltalaisryhmä ilmoitti saaneensa suoran kokeellisen todisteen pimeästä aineesta ns. gravitaatiolinssi-ilmiön avulla: kahden galaksin törmäyksessä tavallinen aine on hidastunut, mutta galaksien painopiste on siirtynyt pimeän aineen heikon vuorovaikutuksen vuoksi pois tavallisen aineen painopisteestä. Esimerkiksi supersymmetrisessä teoriassa on mahdollista saada kokeellisesti sopiva pimeä aine muun muassa neutraliino –nimisestä hiukkasesta. Jotta neutraliinoja voisi perusteellisesti tutkia laboratoriossa, tarvittaneen uusi kiihdytin – niin sanottu lineaaritömäytin – jossa elektronit ja niiden vastahiukkaset positronit törmäävät toisiinsa. Neutraliinon heikon vuorovaikutuksen vuoksi ilmaisimessa se nähdään puuttuvana energiana. Tietämys pimeästä aineesta kehittyy uusien hiukkasfysiikan kokeiden, LHC:n ja sitten lineaarikiihdyttimen, sekä toisaalta satelliittihavaintojen avulla. Satelliittihavaintoja tekee tällä hetkellä eurooppalainen Planck –luotain, joka on jo täsmentänyt pimeän aineen määrää maailmankaikkeudessa.

Supersymmetrian ohella toinen teoria, joka näyttäisi ratkaisevan Higgsin sektorin hienosäätöongelmat on teoria, jossa oletetaan olevan enemmän ulottuvuuksia kuin neljä (kolme avaruus- ja yksi aikaulottuvuus) normaalisti tuntemaamme. Tällainen ajattelumalli pohjautuu useita ulottuvuuksia sisältävään säieteoriaan, joka on paras ehdokas painovoimateoriaksi. Meidän 3+1 -ulotteinen maailmankaikkeutemme olisi jonkinlainen siivu tässä useampiulotteisessa maailmassa. Useat ulottuvuudet materialisoituvat omassamme uusina hiukkasina. Tällaisia teorioita voidaan muodostaa useammanlaisia. Yhdessä mallityypissä esiintyy hiukkanen, radion, joka sekoittuu Higgsin hiukkasen kanssa. Tämä sekoitus saattaa huomattavasti muuttaa kevyimmän havaitsemamme Higgsin tyyppisen hiukkasen hajoamissuhteita. On esimerkiksi mahdollista, että Higgsin hiukkanen katoaa osittain uusiin ulottuvuuksiin.

 

3. Higgsin bosonien havaitseminen LHC:llä

3.1 LHC-törmäytin ja LHC-kokeet

LHC:n ydin on 27 km pitkä ympyränmuotoinen laitteisto noin 100 m maan alla sijaitsevassa tunnelissa. Tunneliin on asennettu tyhjiöputket, joissa protonit kiertävät vastakkaisiin suuntiin lähes valonnopeudella ja törmäävät toisiinsa ilmaisinlaitteistojen kohdalla. Protonit esikiihdytetään 450 GeV:iin jonka jälkeen ne tulevat LHC:hen ja molemmat protonisuihkut  kiihdytetään lopulliseen törmäysenergiaan. Suihkujen ohjailuun tarvitaan suuri määrä magneetteja, yli 9000. LHC:n rakentamisen suuri haaste oli 1232:n 15 m pitkän suprajohtavan ohjausmagneetin rakentaminen. Rakentamisen vaikeutta kuvaa se että suprajohtavan tilan saavuttamiseksi magneetit täytyy jäähdyttää -271 Celsius-asteen lämpötilaan, joka on kylmempää kuin ulkoavaruus. Lähes valonnopeutta kiitävät protonit kulkevat 27 km:n renkaan noin 11000 kertaa sekunnissa.

higgs_01

Kuva 1: LHC-tunneli (sininen) ja siinä olevat neljä koejärjestelmää ovat maan  alla 50-150 metrin syvyydessä.

CERNin LHC-törmäytin aloitti protoni-protoni-törmäysten tuottamisen vuonna 2010 joittenkin alkuvaikeuksien jälkeen. Siitä lähtien LHC on toiminut erittäin luotettavasti ja tuottanut protoni-protoni-törmäyksiä aluksi 7 TeV:n ja vuonna 2012 8 TeV:n massakeskipiste-energialla. Törmäystihettä sekunnissa kuvaava luminositeetti ja samalla integroitu luminositeetti ovat kasvaneet tasaisesti. Ensimmäinen pitkä LHC-ajojen jakso lopetettiin helmikuussa 2013 suunnitelmien mukaisesti tärkeitten muutostöitten vuoksi. Törmäyttimen on määrä aloittaa jälleen toimintansa talvella 2015 lopullisella suunnitellulla massakeskipiste-energialla, joka on 13-14 TeV:tä. Samalla törmäysten välinen aika tulee lyhenemään 50 ns:sta 25 ns:tiin, joka merkitsee entistä suurempaa haastetta koelaitteistoille.

Yhtäaikaa LHC-törmäyttimen kanssa aloittivat toimintansa myös LHC-kokeet ja ne ovat nyt hiukkasfysiikan pääkokeita maailmassa. LHC-törmäyttimellä on kaksi yleiskoetta, CMS ja ATLAS, jotka tutkivat kaikkea sitä fysiikkaa, mitä kahden protonin törmäyksessä nähdään. CMS-kokeen yhteydessä on pienempi hyvin lähelle protonisuihkuja sijoitettu matalan sirontakulman fysiikkaan erikoistunut  TOTEM-koe. Lisäksi LHCb-koe tutkii bottom-kvarkkeihin liittyvää fysiikkaa ja ALICE-koe raskaiden ionien törmäyksiä. Näistä suomalaiset osallistuvat CMS-, TOTEM- ja ALICE-kokeisiin, joista CMS on suomalaisittain pääkoe.

CMS-koejärjestelmä (Compact Muon Solenoid) on 22 m pitkä, halkaisijaltaan 15 m ja painaa 14500 tonnia. Protonit tulevat ilmaisimeen tyhjiöputkea pitkin molemmista suunnista ja törmäävät keskellä. Einsteinin kaavan mukaan protonien hiukkasmittakaavassa valtaisa energia muuttuu sitten tuotettavien hiukkasten massoiksi ja energioiksi. Nämä menevät eri suuntiin ilmaisimessa ja riippuen hiukkastyypistä luovuttavat energiansa ilmaisimen eri osiin tai menevät ilmaisimen läpi pysähtymättä. Varattujen hiukkasten kulkurata mitataan törmäyspistettä lähimpänä olevalla sylinterin muotoisella jälki-ilmaisimella. Käyttäen näitä ratoja varattujen hiukkasten liikemäärä voidaan laskea koska jälki-ilmaisin on asetettu magneettikenttään, joka taivuttaa hiukkasten kulkuradat. Magneettikenttä saadaan aikaan suprajohtavalla (solenoid) magneetilla, joka tuottaa vahvan aksiaalisen neljän Teslan magneettikentän, jossa hiukkasten kulkuradat taipuvat voimakkaasti ja laitteisto on voitu rakentaa kooltaan suhteellisen pieneksi (josta tulee nimi Compact) verrattuna ATLAS koelaitteistoon. Elektronien ja fotonien energiat mitataan ja ne tunnistetaan jälki-ilmaisimen ympärillä olevalla sähkömagneettisella kalorimetrillä, johon niitten energia absorboituu. Sähkövarauksen omaavien elektronien liikemäärät lasketaan jälki-ilmaisimen avulla, kun taas neutraaleina hiukkasina fotonit eivät jätä jälkeä jälki-ilmaisimiin. Kvarkit ja gluonit niin sanotusti hadronisoituvat vahvasti vuorovaikuttaviksi useasta hiukkasesta koostuviksi hadroneiksi kuten protoniksi tai protonia kevyemmäksi pioniksi. Hadronien joukkoa tai ryöppyä kutsutaan myös jetiksi. Neutraalit hadronit, kuten neutroni, eivät jätä jälkeä jälki-ilmaisimeen, mutta jättävät energiansa hadronikalorimetriin. Varatut hadronit jättävät lisäksi jäljen jälki-ilmaisimeen. Yhdistäen nämä mittaukset hadroni-ryöpyn energia ja liikemäärä voidaan mitata. Raskaammat hiukkaset, kuten bottom-kvarkit ja tau-leptonit, eivät hajoa välittömästi protonien törmäyspisteessä vaan kulkevat noin millimetrin kymmenesosasta aina muutamaan senttiin ennen hajoamistaan. Jälki-ilmaisin, erityisesti suihkuputkea lähinnä oleva osa, on rakennettu niin tarkaksi että tällaisetkin etäisyydet pystytään mittaamaan ja saadaan arvokasta tietoa siitä, mitä hiukkasia törmäyksessä on syntynyt. Heikosti vuorovaikuttavat, mutta sähkövarauksen omaavat myonit läpäisevät kaikki nämä laitteistot ja ne havaitaan uloimpana sijaitsevilla myoni-ilmaisimilla. Myonien liikemäärä mitataan jälki-ilmaisimessa. Johtuen CMS:n voimakkaasta magneettikentästä saadaan myoneille erittäin tarkka liikemäärän mittaus, josta johtuu nimi Muon Solenoid. Neutriinot vuorovaikuttavat niin heikosti, että niitä ei voida havaita millään laitteella. Niitten, ja mahdollisesti muitten vielä tuntemattomien vuorovaikuttamattomien hiukkasten kuten jo mainittujen neutraliinojen, neli-impulssien summa voidaan kuitenkin mitata suihkuja kohtisuoraan olevassa tasossa käyttäen energian ja liikemäärän säilymisen periaatetta. Tämä Higgsin bosonienkin etsinnän kannalta erittäin tärkeä mittaus on mahdollinen, kun laitteisto on niin tiivis, että kaikki reaktiosta ulostuleva energia rekisteröidään tarkasti.

Tärkeä seikka LHC:llä tehtävän fysiikan osalta on, että kaikkea törmäyttimeltä tulevaa tietoa ei voi tallettaa jälkikäteen analysoitavaksi. Sekunnissa tapahtuu noin sata miljoonaa törmäystä ja näistä noin miljoonasosa eli 100-200 voidaan säilyttää. Tiedetään, että tapauksista suurin osa koskee jo hyvin tunnettua standardimallia, joka on taustana uudelle fysiikalle. Täytyy etukäteen päättää, minkä tyyppiset tapaukset halutaan säilyttää. Uutta mielenkiintoista tietoa sisältävät todennäköisimmin niin sanotut ”kovat” törmäykset, joissa ulostulevat hiukkaset lentävät suureen kulmaan törmäävien protonien suhteen jättäen runsaasti energiaa kalorimetrien keskiosaan. Mielenkiintoisia ovat myös reaktiot, joissa havaitaan myoni-ilmaisimissa ja jälki-ilmaisimessa yhden tai useamman nopean myonin signaali, tai havaitaan huomattava energiakeskittymä sähkömagneettisessa kalorimetrissä, jolloin päätellään, että siihen on osunut nopea elektroni tai fotoni. Käyttäen tällaisia mahdollisimman yksinkertaisia kriteereitä ja yhdistellen niitä voidaan nopeita suorittimia käyttäen muutaman mikrosekunnin aikana päättää, kannattaako kyseinen tapaus tallentaa analyysia varten. Koska LHC:n törmäystiheys on suuri, ei laitteisto nykytekniikalla ehdi tallentaa yhtä törmäystä kerrallaan, vaan joudutaan tallentamaan useamman törmäyksen ”paketteja”. Vuoden 2012 ajoissa tällaiset ”paketit” sisälsivät keskimäärin 20 reaktiota. Luminositeetin kasvaessa tulevissa LHC-ajoissa samaan tapaukseen tallennettavia reaktioita tulee olemaan vieläkin enemmän. Tämä ongelma ei kuitenkaan pilaa koeaineistoa, koska todella mielenkiintoiset törmäykset ovat erittäin harvinaisia ja koska sopivia algoritmeja käyttäen samassa tapauksessa olevat ylimääräiset törmäykset nähdään vain taustakohinana. Näin tallennetusta aineistosta uudentyyppinen fysiikka voidaan löytää lähinnä erilaisten jakaumien perusteella.

3.2 Higgsin hiukkasten etsimismenetelmät

Kun Higgsin hiukkasta etsitään, ei itse asiassa nähdä itse Higgsin bosonin jälkeä jälki-ilmaisimessa tai sen energiaa kalorimetreissä. Tuotettu Higgsin bosoni hajoaa nopeasti muiksi hiukkasiksi, jotka sitten voidaan ilmaisimessa havaita. Higgsin hiukkasen hajoamistodennäköisyys tietyiksi hiukkasiksi riippuu Higgsin hiukkasen massasta. Jos Higgsin bosoni on kevyt, se hajoaa standardimallin mukaan pääsääntöisesti bottom-kvarkki-pariin.

Jos Higgs on painava, se hajoaa todennäköisimmin heikon vuorovaikutuksen välittäjäbosoneihin (W ja Z). Suurikaan hajoamissuhde ei välttämättä kerro, mikä on todennäköisin kanava, missä Higgsin bosoni havaitaan. LHC:n kaltaisella hadronitörmäyttimellä esimerkiksi bottom-kvarkki-pareja tulee niin paljon muistakin prosesseista kuin Higgsin bosonin hajoamisesta, että viimeksi mainitut hukkuvat helposti taustatapauksiin.

Havaitsemisen kannalta tärkeitä hajoamiskanavia ovat hajoaminen fotonipariin tai hajoaminen ZZ-pariin, jossa Z-bosonit hajoavat edelleen myoni- tai electroni-pareiksi,  vaikka Higgsin bosonin hajoamistodennäköisyys näihin kanaviin on pieni tai erittäin pieni. Tärkeä kriteeri hyödylliselle hajoamiskanavalle on mahdollisuus mitata hyvällä tarkkuudella kaikkien hajoamisesta tulevien pysyvien hiukkasten energiat ja liikemäärät, joita käyttäen Higgsin bosonin massa voidaan laskea. Kaikesta sähköisestä informaatiosta huolimatta tulos katsotaan uskottavammaksi, kun havaitaan silminnäkyvä resonanssi-piikki taustajakautuman päällä. Kanavia, joissa Higgsin bosonin massa voidaan mitata hyvällä tarkkuudella, ovat juuri mainittu hajoaminen fotonipariin sekä hajoaminen kahteen Z-bosoniin, jotka hajoavat edelleen elektroneiksi tai myoneiksi. Sopivasti yhdistämällä eri tuotto- ja hajoamismahdollisuuksia voidaan standardimallin Higgsin bosoni tunnistaa kaikilla standardimallissa sallituilla massoilla. Lisäksi on tärkeää että Higgsin bosonin signaali mitataan mahdollisimman monessa ennustetussa hajoamiskanavassa.

Higgsin bosonin massan mittaamisen kannalta haasteellisia, mutta supersymmetrisissä malleissa erittäin tärkeitä kanavia ovat neutraalien Higgsin bosonien hajoaminen kahdeksi tau-leptoniksi tai varattujen Higgsin bosonien hajoaminen tau-leptoniin ja vastaavaan neutriinoon. Tämä johtuu tau-leptonin hajoamisessa syntyvästä vaikeasti mitattavasta neutriinosta. Tällaistenkin kanavien hyödyntämiseen on kehitetty menetelmiä, kuten kappaleessa 5 nähdään. Neutraalit supersymmetriset Higgsin bosonit voidaan havaita samanaikaisesti kahden tau-leptonin ja myoni-parin kanavissa suuressa osassa parametri-avaruutta. Alueessa jossa kevein neutraali Higgsin bosoni on hyvin samanlainen kuin Standardimallin Higgsin bosoni, on mahdollista havaita sen hajoamiset WW ja ZZ-pareihin.

On todennäköistä että varattu Higgsin bosoni havaitaan vain tau+neutriino-kanavassa, koska simulaatiotutkimusten mukaan näyttää vaikealta eristää signaalia hajoamisuhteeltaan voimakkaimmassa top+bottom-kanavassa suuren QCD jetti-taustan vuoksi.

Sekä neutraalien että varattujen Higgsin bosonin etsiminen tai siihen valmistautuminen kaikissa tärkeimmissä hajoamiskanavissa, fotoni-fotoni, ZZ, WW, bb, tau+tau ja tau+neutriino alkoi heti LHC-ajojen alettua. Tutkimustyö johti hyvin merkittävään ja suurta julkisuutta saaneeseen löytöön jo vuonna 2012.

 

4. Uuden bosonin löytyminen CMS ja ATLAS kokeissa

Heinäkuussa 2012 CERN julkaisi uuden hiukkasen löytymisen CMS ja ATLAS kokeissa. Löytö perustui koeaineistoon joka vastasi 5,1:n vuonna 2011 7 TeV:n ajoissa kerätyn ja 5,3:n vuonna 2012 8 TeV:n ajoissa kerätyn integrodun käänteisen femtobarnin luminositeettia. Neutraaleja Higgsin bosoneja etsittiin hajoamiskanavissa fotoni-fotoni, ZZ (neljä leptonia), WW, tau+tau ja bb. Uuden hiukkasen signaali havaittiin resonanssina taustajakautuman päällä kahden fotonin kanavassa ja ZZ-kanavassa, jossa Z-bosonit hajoavat leptoni-pareiksi. Havainnot olivat hyvin samanlaisia sekä CMS että ATLAS kokeissa. CMS-kokeessa hiukkasen massaksi mitattiin 2-fotoni ja ZZ -kanavissa 125,3 ± 0,4 ± 0,5 GeV, jossa ensimmäinen epävarmuus kuvaa tilastollista ja jäkimmäinen systemaattista epävarmuutta. Hiukkanen luokitettiin bosoniksi koska se hajoaa kahteen fotoniin. Löydettyn bosonin arvioitiin olevan 25-30%:n todennäköisyydellä Higgsin bosoni. Kuva 2 esittää CMS-kokeessa mitattua kahden fotonin massajakautumaa, jossa nähdään uuden hiukkasen resonanssi tasaisesti laskeutuvan standardimallin taustan päällä.

higgs_02

Kuva 2. Kahden fotonin invariatin massan jakautuma. Pisteet vastaavat koeaineistoa, katkoviiva summattua standardimallin taustaa ja yhtenäinen viiva 126 GeV:n standardimallin Higgsin bosonin signaalin ja standardimallin taustan summaa.

 

Maaliskuussa 2013 julkaistiin uusia tuloksia perustuen kaikkeen 2011 ja 2012 kerättyyn koeaineistoon, joka vastaa noin 25:n käänteisen femtobarnin integroitua luminositettia. Tulokset uudesta bosonista varmistuivat kahden fotonin ja neljän leptonin (ZZ) kanavissa. Kuvassa 3 nähdään neljän leptonin invariantin massan jakautuma, jossa havaitaan selvä resonassi 125 GeV:n ympäristössä. Vahvistusta löydölle saatiin myös WW-kanavasta, kahden tau-leptonin kanavasta sekä kahden b-kvarkin kanavasta.

CMS-kokeen mittaustulos neljän leptonin kanavassa vastasi 6,7 keskihajonnan merkitsevyyttä, jonka on selvästi yli viiden keskihajonnan merkitsevyyden ja siten katsotaan varmistavan löydön. Kahden fotonin kanavassa raportoitiin 3,2, WW-kanavassa 4,1 ja tau+tau-kanavassa 2,9 keskihajonnan merkitsevyys.Samoin ATLAS-kokeen tulokset vahvistivat uuden bosonin löytymisen samoissa kanavissa. Hiukkasen massaksi mitattiin 125,8 +- 0,4 +- 0,4 GeV CMS-kokeessa, jossa ensimmäinen epävarmuus vastaa tilastollista ja jäkimmäinen systemaattista epävarmuutta.

higgs_03

Kuva 3.  Neljän leptonin invariatin massan jakautuma. Pisteet vastaavat koeaineistoa, täytetty histogrammi summattua standardimallin taustaa ja tayttämätön histogrammi 126 GeV:n standardimallin Higgsin bosonin signaalia.

Uuden bosonin yhteensopivuutta Standardimallin Higgsin bosonin kanssa voidaan kuvata laskemalla signaalin vahvuus kussakin kanavassa mitatun vaikutusalan ja Standardimallin Higgsin bosonin vaikutusalan suhteena. Kuva 4 esittää signaalin vahvuutta kaikkissa tutkituissa kanavissa olettaen että Higgsin bosonin massa on edellä mainittu mitattu massa. Kuvasta nähdään että virherajojen puitteissa löydetty bosoni voidaan tulkita Standardimallin Higgsin bosoniksi. Jotta uusi löydetty bosoni olisi Higgsin bosoni niin myös sen sisäisten ominaisuuksien eli kvanttilukujen tulee olla sopusoinnussa teorian ennusteitten kanssa eli sen spin-kvanttiluvun on oltava nolla ja pariteetti-kvanttiluvun +1. Näitten kvanttilukujen arvoja mitattiin soveltamalla erilaisia hypoteeseja neljä-leptoni-kanavan kulmajakautumiin. Tulokset osoittivat että spin-kvanttiluku 1 voidaan sulkea pois neljän keskihajonnan merkitsevyydellä ja spin-kvanttiluku 2 voidaan sulkea pois 2,7 keskihajonnan  merkitsevyydellä. Pariteetti-kvanttiluku -1 voidaan sulkea pois 3,3 keskihajonnan merkitsevyydellä olettaen, että spin-kvanttiluku on nolla. Yhteenvetona voidaan sanoa, että uusi hiukkanen on Higgsin bosoni 90%:n luottamustasolla.

higgs_04

Kuva 4. Signaalin vahvuus, mitatun vaikutusalan suhde standardimallin Higgsin bosonin vaikutusalaan, kaikissa tutkituissa hajoamiskanavissa.

 

Koeaineiston perusteella ei vielä saada vastausta siihen että onko uusi hiukkanen, joka siis on suurella todennäköisyydellä Higgsin bosoni, standardimallin Higgsin bosoni vai yksi monimutkaisemman mallin, kuten supersymmetrisen standardimallin, Higgsin bosoneista. Tähän kysymykseen etsittiin vastausta tutkimalla neutraalin Higgsin bosonin hajoamisia kahden tau-leptonin ja kahden myonin kanaviin ja varatun Higgsin bosonin hajoamista tau+neutriino-kanavaan. Tulokset tau+tau kanavassa sulkevat pois suuren osan MSSM parametriavaruutta, kuten nähdään kuvasta 5, joka esittää poissuljetun alueen MSSM parametriavaruuden pseudoskalaari-bosonin massan ja tanbeta-parametrin funktiona.  Luotettavimmin löydetyn Higgsin bosonin luonne voidaan kuitenkin varmistaa etsimällä muita mahdollisia Higgsin bosoneita, erikoisesti sähkövarauksellisia (varattuja) Higgsin bosoneita. Jos sellaisia löytyy, voidaan varmuudella sanoa että voimassa on suurempi symmetria kuin Standardimalli. Seuraavassa kappaleessa tarkastellaan varattujen Higgsin bosonien etsimistä CMS-kokeessa.

higgs_05

Kuva 5. Minimaalisen supersymmetrisen standardimallin poissuljettu alue (ylempi täytetty alue) pseudoskalaari-bosonin massan ja tanbeta-parametrin funktiona. Alempi täytetty alue kuvaa LEP kokeitten tuloksena poissuljettua aluetta.

 

5. Sähkövarauksellisten Higgsin bosonien etsiminen

HIP:in kokeellinen Higgsin fysiikan tutkimusryhmä on ollut vastuussa projektista, jossa etsitään varattuja Higgsin bosoneita H+ ja H  hajoamiskanavassa, joissa syntyy tau-leptoni ja vastaava neutriino (H+ -> tau+ + neutriino tai H -> tau + neutriino) ja jossa tau-leptoni hajoaa edelleen hadroneiksi ja neutriinoksi, tau -> hadroneita+neutriino. Tutkimuksessa on oletettu että malli on minimaalinen supersymmetrinen standardimalli, jossa on H+ ja H bosonit ja kolme neutraalia Higgsin bosonia. Kevyet varatut Higgsin bosonit, joille mH+ < mtop, tuotetaan top-kvarkin hajoamisessa kahden top-kvarkin tuotossa (tt -> bWbH+) kun taas raskaat (mH+ > mtop) varatut Higgsin bosonit tuotetaan gluoni-parin fuusiossa gg ->tbH± -> bWbH+ . Tutkimukseen valitaan tapaukset joissa W-bosoni hajoaa kahteen kvarkkiin, jolloin lopputila on täysin hadroninen. Molemmissa tapauksissa lopputilassa on hadronisesti hajoava tau-leptoni (tau-jetti), 2 b-jettiä, 2 hadronista jettiä sekä huomattavan suuri puuttuva poikittaisenergia (MET) joka vastaa neutriinojen neli-impulssien summaa transversaalisessa tasossa.  Ennustettu signaali on pieni verrattuna Standardimallin reaktioihin, jotka voivat tuottaa hyvin samanlaisia lopputiloja. Tärkeimpiä näistä ovat tt-parien tuotto, W-bosonien tuotto hadronisten jettien yhteydessä (W+jets) sekä hadronisten moni-jetti-reaktioitten tuotto (QCD tausta). Näistä tt- ja W+jets-taustoissa tuotetaan aitoja tau-jettejä kun taas QCD-taustassa tau-jetti on satunnaisesti virheellisesti tunnistettu hadroninen jetti. Vaikka virheelliset mittaukset ovat erittäin harvinaisia on hadronisten moni-jetti-reaktioitten tuotto vaarallinen tausta koska LHC:llä QCD-reaktioitten tuottovaikutusala on suurempi kuin millään muulla reaktiolla.

Analyysissä lopputilan objekteista tau-jetti, yksi b-jetti, kaksi hadronista jettiä ja MET-objekti tunnistetaan ja mitataan. Tau-jetin tarkka tunnistaminen on erityisen tärkeää koska muuten todennäköisyys virheellisiin tunnistuksiin kasvaa liian suureksi ja taustareaktioitten määrää ei voida enää pitää tarpeeksi alhaisella tasolla. Valitussa täysin hadronisessa kanavassa on mahdollista saavuttaa näkyvä signaali Standardimallin taustan päällä transversaalisessa Higgsin bosonin massajakautumassa mikäli mitattu MET-objekti vastaa riittävällä tarkkuudella varatun Higgsin bosonin hajoamisesta tulevien neutriinojen neli-impussien vektorisummaa. Neutriinoista merkittävämpi tulee suoraan Higgsin bosonin hajoamisesta H+ -> tau +neutrino, ja toinen tuotetun tau-leptonin hajoamisesta, tau -> hadroneita + neutrino. Tätä mittausta varten on poistettava reaktiot joissa neutriinoja tulee muista lähteistä. Tälläisia lähteitä ovat reaktiot joissa W-bosoni toisesta top-kvarkista hajoaa leptoniksi ja neutriinoksi (noin 30%:n hajoamissuhteella).  Menetelmä edellyttää kaikkien reaktiossa mahdollisesti tuotettujen myonien ja elektronien tunnistamista.

Tutkittu kanava tarjoaa mahdollisuuden käyttää tau-leptonin helisiteetti-korrelaatioita tt ja W+jets taustojen pienentämiseen. Helisiteettikorrelaatiot pakottavat taun hajoamisessa syntyvän varatun hadronin lentämään tau-leptonin suuntaan massakeskipistekoordinaatistossa silloin, kun tau-leptoni on peräisin varatun Higgsin bosonin hajoamisesta. Silloin kun tau-leptoni on peräisin taustareaktioitten W-bosonista helisiteettikorrelaatiot pakottavat varatun hadronin vastakkaiseen suuntaan. Laboratoriokoordinaatistossa tämä ilmiö näkyy energisempänä tau-jettinä Higgsin bosoneja sisältävissä tapauksissa kuin taustatapauksissa.

Työn suurimpia haasteita on ollut taustojen tarkka mittaaminen koeaineistosta. Mitattaessa tt-parien ja W+jet reaktioitten aiheuttamaa taustaa käytetään hyväksi sitä, että varatun Higgsin bosonin hajoamistodennäköisyys myoniin ja neutriinoon on vähemmän kuin sadasosa hajoamistodennäköisyydestä tau-leptoniin ja neutriinoon.

Taustamittauksen koeaineisto saadaan valitsemalla reaktioita, joissa W hajoaa muoniin ja neutriinoon ja jotka ovat muuten signaalireaktioitten kaltaisia. Leptonien universaalisuuden perusteella W:n hajonnassa myoni voidaan korvata simuloidulla tau-leptonilla. Tämän jälkeen sovelletaan normaalia signaalin valintaa ottaen huomioon liipaisumenetelmien erilaisuus valitussa aineistossa verrattuna signaaliaineistoon. QCD taustan mittaus perustuu sellaisten reaktioitten valintaan, jotka myös muistuttavat signaalireaktioita mutta joissa QCD-reaktioitten osuus on rikastunut. Rikastaminen tehdään parhaiten löysentämällä tau-leptonin tunnistamisvaatimuksia siten, että myös valittu tau-jetti on lähes aina hadroninen jetti eikä aito tau-jetti. Taustan absoluuttinen normitus voidaan tehdä soveltamalla tausta-aineistosta saatujen transversaalisen poikittaisenergian jakautumien muotoja signaali-aineiston vastaaviin jakautumiin.

Ensimmäiset tulokset kevyitten varattujen Higgsin bosonien etsimisestä julkaistiin 2012 perustuen osaan vuoden 2011 koeaineistosta. Tuloksiin yhdistettiin vastaavat tulokset kanavista joissa W-bosoni toisesta top-kvarkkista hajoaa leptoniksi ja neutriinoksi. Tutkimuksen tuloksena saatiin uusi yläraja, 4-5%, top-kvarkin hajoamiselle varattuun Higgsin bosoniin ja bottom kvarkkiin massa-arvoille 90-160 GeV. Edellinen yläraja, noin 20%, oli Tevatron törmäyttimeltä Fermilabista. Kuvassa 6 nähdään varatun Higgsin bosonin transversaalisen massan jakautuma täysin hadronisessa kanavassa. Kuvasta voidaan havaita että koeaineisto vastaa taustajakautumien summaa virherajojen puitteissa. Näin ollen mikäli koeaineisto sisältäisi varatun Higgsin bosonin signaalin, pitäisi hajoamisuhteen top->bH+ olla pienempi kuin mitattu 4-5% niin että signaali ei erottuisi taustan heilahteluista.

higgs_06

Kuva 6. Jakautuma tau-jetin ja MET-objektin transversaaliselle massalle. Täytetyt histogrammit kuvaavat mitattuja taustajakautumia, pisteet koeaineiston jakautumaa ja katkoviiva hypoteettista jakautumaa 120 GeV:n varatulle Higgsin bosonille, joka tuotetaan 5%:n hajoamissuhteella top-kvarkin hajoamisessa.

 

6. Yhteenveto

Higgsin bosonin tai bosoneitten löytäminen on ollut LHC-törmäyttimen tärkein tavoite. Protoni-protoni-törmäysten tuottaminen alkoi 2010 ja vuonna 2012 reportoitiin uuden bosonin löytymisestä. Vuonna 2013 julkaistut tulokset vahvistivat löydön. Löydetty bosoni tulkittiin 90%:n luottamustasolla Higgsin bosoniksi. Tuottovaikutusalan ja hajoamissuhteitten havaittiin  olevan sopusoinnussa standardimallin Higgsin bosonin ominaisuuksien kanssa. Koeaineistosta ei ole toistaiseksi löytynyt viitteitä supersymmetristen mallien Higgsin bosoneista tai muista supersymmetristen mallien hiukkasista.

Oleellinen asia, mitä LHC:llä halutaan tehdä, on yhdistää saadut kokeelliset tulokset ja teoria toisiinsa. Tässä on kaksi mahdollisuutta: joko lähdetään liikkeelle koetuloksista ja pyritään niiden perusteella ymmärtämään taustalla oleva teoria, tai tutkitaan teoriaa ja pyritään siitä johtamaan seuraamuksia, mitä kokeissa pitäisi havaita. Tiettyjen teorioiden, kuten säieteorian osalta, tämä tuottaa ongelmia, koska itse teoria on huonosti tunnettu. Kokeen energiaskaalalla olevasta teoriasta voidaan johtaa erilaisia fotoneja, leptoneja ja jettejä koskevia jakaumia, joita voidaan verrata kokeista saatuihin.

Yhteenvetona voidaan sanoa, että LHC:llä tehtävät kokeet eroavat selkeästi elektroni-positroni –kiihdyttimien tarkkuuskokeista: protoneilla on sisäistä rakennetta ja siten alkutilanne törmäyksessä ei ole hyvin tunnettu ja vain osa protonin energiasta – kvarkeilla on keskimäärin 1/6 protonin liikemäärästä käytetään törmäykseen. Kuitenkin suuren keskipiste-energian protoni-protoni –koe soveltuu mainiosti uusien hiukkasten etsimiseen, vaikka tarkkuusmittauksiin tarvitaankin ehkä tulevaisuuden lineaarikiihdytintä. Hiukkasfysiikan teorioita testataan kokeellisesti suuressa määrässä erilaisia ilmiöitä. Tällaisia testattavia teorioita ovat muun muassa supersymmetriset ja uusien ulottuvuuksien teoriat.

Todentamalla teoria voidaan myös mahdollisesti tutkia oikean teorian vaikutuksia suurilla energioilla. Vaikutuksia on myös lähialoihin kuten kosmologiaan ja säieteoriaan. Kaiken kaikkiaan teoreettinen tieto ja saatavat kokeelliset tulokset ennen pitkää johtavat nykyistä syvällisempään standardimalliin ja sitä kautta ymmärrämme paremmin ympäröivän maailman koostumusta ja kehitystä.

 

Katri Huitu ja Ritva Kinnunen

 

Fysiikan laitos ja Fysiikan tutkimuslaitos
PL 64
00014 Helsingin yliopisto

 

Kuvat 1: CERN, kuvat 2-6: CMS