Hiukkasfysiikan eurooppalainen palkinto Higgsin hiukkasen löytämisestä ATLAS- ja CMS-kokeille sekä niiden ensimmäisille johtajille

Heinäkuussa 2012 ATLAS- ja CMS-kokeet Cernissä julkaisivat tulokset uuden hiukkasen löytymisestä LHC-kokeissa. Hiukkasen ominaisuudet ovat samanlaiset kuin pitkään etsityllä ns. Higgsin bosonilla, jonka olemassaolon ennuste perustui kolmen tutkijan, Robert Broutin, Francois Englertin ja Peter Higgsin teorioihin lähes 50 vuotta sitten. Heille myönnettiin tästä vastaava Euroopan hiukkasfysiikan palkinto vuonna 1997.

Higgsin hiukkasen etsiminen osoittautui kokeellisesti vaativaksi haasteeksi. Tarvittiin useita teknologisia innovaatioita ja tuhansien hiukkasfyysikoitten ja insinöörien kansainvälistä yhteistyötä, ennen kuin saatiin kehitettyä laitteet, joiden avulla Higgsin hiukkasen olemassaolo saatiin varmistettua.

Laajan yhteistyön tuloksena rakennettiin kaksi ennennäkemättömän suurta ja tehokasta koeasemaa, ATLAS ja CMS. Ne ovat olleet toiminnassa vuodesta 2009 lähtien Euroopan hiukkasfysiikan laboratorion Cernin LHC-törmäyttimellä, jonka hiukkasuihkuilla saavutetaan suurempi törmäysenergia ja intensiteetti kuin millään muulla kiihdyttimellä tähän asti.

Higgsin hiukkanen on ollut viimeinen puuttuva osa hiukkasfysiikan ns. standardimallissa, joka kuvaa aineen perusrakennetta ja jota on testattu tarkkuuskokeissa viimeisen kolmen vuosikymmenen aikana. Kun teoriaa rakennettiin, törmättiin seuraavaan ongelmaan: symmetriat, jotka ovat teorian pohjana, vaativat, että vuorovaikutuksia välittävät hiukkaset ovat massattomia.

Kokeissa taas havaittiin, että heikon vuorovaikutuksen välittäjähiukkasilla on suuri massa. Broutin-Englertin-Higgsin-mekanismi ratkaisee tämän ongelman kyseisten symmetrioiden ns. spontaanin rikkoutumisen kautta; siitä seuraa, että heikon vuorovaikutuksen välittäjähiukkaset saavat massan.

Tähän mekanismiin liittyvää hiukkasta, Higgsin bosonia, on etsitty lähes viisikymmentä vuotta toinen toistaan seuranneilla, yhä tehokkaammilla hiukkaskiihdyttimillä ilman tulosta. 

Harvinainen Higgsin hiukkanen löytyi huipputehokkailla koelaitteistoilla ja dataa analysoimalla

Higgsin hiukkasen havaitsemiseen on puolestaan tarvittu koelaitteistot, jotka ovat ennennäkemättömän tehokkaita ja monimutkaisia. ATLAS- ja CMS-koeasemien konseptit luotiin kaksikymmentä vuotta sitten, tähtäimenä löytää Higgsin bosoni, tai sitten lopullisesti sulkea pois sen olemassaolo. Tähän tarvittiin tuhansia tonneja painavat laitteistot, jotka tuottavat tietoa sadan miljoonan datakanavan kautta LHC:lle kiihdytettyjen protonien törmäyksistä, joissa Higgsin hiukkanen voi syntyä.

Koska Higgsin hiukkasen syntyminen on erittäin harvinainen prosessi, LHC:n on pystyttävä tuottamaan ja koeasemien on pystyttävä rekisteröimään miljardi protoni-protoni-törmäystä sekunnissa, joissa kussakin syntyy satoja hiukkasia, ja löytämään näiden törmäysten joukosta merkit Higgsin hiukkasen syntymisestä. Tähän on tarvittu huipputeknologian käyttöä, ja monessa kohtaa uuden luomista.

Huipputehokkaat koelaitteistot ovat kuitenkin vain toinen puoli tästä vaativasta tieteellisestä hankkeesta.  Laitteistojen tuottaman datan analyysiin tarvitaan pitkälle kehitettyjä tietokoneohjelmistoja, viimeisimpiä tietojenkäsittelymenetelmiä ja erittäin tehokkaita ja suuria tietokonejärjestelmiä. Näiden avulla voitiin analysoida se valtava määrä dataa, joka tarvittiin Higgsin hiukkasen löytämiseen. 

Suomalaistutkijat ovat olleet mukana alusta lähtien ja työ jatkuu

Suomalainen tutkijaryhmä on osallistunut CMS-projektiin sen konseptin luomisesta lähtien vuonna 1990. Tutkijat Fysiikan tutkimuslaitoksesta, Helsingin yliopistosta, Teknisestä korkeakoulusta, Jyväskylän yliopistosta ja Lappeenrannan teknisestä yliopistosta ovat osallistuneet CMS-koeaseman suunnitteluun, sen rakentamiseen ja nyt viime vuodet tuotetun datan rekonstruointiin ja fysiikan analyysiin.

Higgsin hiukkasen metsästykseen suomalaiset ovat osallistuneet erityisesti etsimällä laajennettujen teorioiden ennustamia sähköisesti varattuja Higgsin hiukkasia.

Hiukkasfysiikan palkinto on tunnustus ATLAS- ja CMS-kokeiden kollektiivisista saavutuksista, sekä kolmen tutkijan ansioista kokeiden alulle panossa. M. Della Negra, T. Virdee CMS-kokeessa ja P. Jenni ATLAS-kokeessa antoivat merkittävän panoksen kokeiden ideoimiseen ja johtivat kollaboraatioita, jotka suunnittelivat, rakensivat ja käynnistivät koeasemat kahden vuosikymmenen aikana. Nämä kollaboraatiot koostuivat kumpikin noin kolmesta tuhannesta fyysikosta, insinööristä ja teknikosta, jotka yhdessä keräsivät tarvittavan datan, analysoivat sen ja löysivät uuden hiukkasen, joka on sellainen kuin Standardimalli ennustaa.

Higgsin hiukkasen löytäminen aloittaa uuden aikakauden hiukkasfysiikan tutkimuksessa. Standardimalli on osoittautunut erittäin menestykselliseksi havaittujen ilmiöiden selittämisessä, mutta teoria selittää kuitenkin vain muutaman prosentin maailmankaikkeuden muodostavasta aineesta. Suurin osa siitä koostuu kosmisen taustasäteilyn mittausten perusteella pimeästä aineesta, jota standardimalli ei tunne. Laajennetut teoriat, jotka sisältävät pimeän aineen hiukkasia, ennustavat toisaalta useita Higgsin hiukkasia. Näin ollen ATLAS- ja CMS-kokeet ovat nyt uusien haasteiden edessä.

Suomalaisen tutkijaryhmän yhteyshenkilö: professori Paula Eerola, Helsingin yliopiston fysiikan laitos ja Fysiikan tutkimuslaitos, paula.eerola@helsinki.fi, (09) 191 50140.

Yhteyshenkilö Euroopan fyysikkoseuran hiukkasfysiikan jaostossa: professori Paris Sphicas, paris.sphicas@cern.ch.

Löytöä koskevat julkaisut:

Observation of a new particle in the search for the Standard Model Higgs boson with the ATLAS detector at the LHC, Physics Letters B 716 (2012) 1-29

Observation of a new boson at a mass of 125 GeV with the CMS experiment at the LHC, Physics Letters B 716 (2012) 30-61

Lisälukemistoa:

Science 21 December 2012, The Higgs Boson, http://www.sciencemag.org/content/338/6114/1558.full

M. Della Negra, P. Jenni, and T. S. Virdee, Journey in the Search for the Higgs Boson: The ATLAS and CMS Experiments at the Large Hadron Collider, Science 338 (2012) 1560-1568

CMS Collaboration, A New Boson with a Mass of 125 GeV Observed with the CMS Experiment at the Large Hadron Collider, Science 338 (2012) 1569-1575

Higgsin metsästäjät -blogi

http://blogs.helsinki.fi/higgshunters/

Ystävällisin terveisin

Minna Meriläinen-Tenhu, tiedottaja, puhelin (09) 191 51042