Fyysikot sukeltavat tuntemattomaan Higgsin bosonin löytymisen jälkeen

CERNissä tehtävästä tutkimuksesta tuli maailmankuulua viimeistään vuonna 2012, kun Nobelin fysiikanpalkintoon seuraavana vuonna johtanut Higgsin bosoni löydettiin. Samalla hiukkasfysiikan standardimalli täydentyi lopullisesti. Pekkanen ja tuhannet muut fyysikot CERNissä tutkivat nyt ilmiöitä, joihin viisi vuotta sitten saavutettu ymmärrys alkeishiukkasten maailmasta ei riitä. 

Vain 15 prosenttia koko tunnetun universumin massasta on näkyvää, loppu on pimeää ainetta, josta tiedämme hyvin vähän. Yhtä sitkeä mysteeri on pimeä energia, joka saa maailmankaikkeuden laajentumaan ja työntää avaruuden kappaleita poispäin toisistaan.

“Samanlaisia avoimia kysymyksiä on edelleen paljon, joten meidän tulee lähteä etsimään vastauksia ja ymmärtää ilmiötä, joita fysiikassa ei edelleenkään osata selittää”, Pekkanen sanoo.

Eräs keino on törmäyttää vetyatomien ytimiä eli protoneita erittäin korkeilla nopeuksilla ja energiamäärillä – ja tutkia, mitä tapahtuu. Pekkanen kollegoineen on tutkinut erityisesti törmäyksissä syntyviä hiukkasryöppyjä. Ryöpyt näet saattavat kätkeä merkkejä täysin uusista hiukkasista.

Ruumiinavauksia miljoonille hiukkasryöpyille

Ryöppyjen hiukkastason tutkimuksesta on muodostumassa oma fysiikan alansa, jota Pekkanen on ollut rakentamassa CERNin Compact Muon Solenoid (CMS) -kokeessa. Siinä tutkijat tallentavat protonien törmäyksiä CERNin Suuressa Hadronitörmäyttimessä ja mittaavat, mitä niissä tapahtuu. Lähes jokaisessa törmäyksessä syntyy hiukkasryöppyjä eli kymmenien kvarkeista koostuvien hiukkasten suihkuja. Tutkijat pyrkivät laskemaan ryöppyjen kokonaisenergiamäärän ja mittaamaan, miten energia jakautuu eri hiukkastyyppien kesken.

Sensorien poimimia tuhansia signaaleja mallinnetaan algoritmien avulla ja törmäyksistä tehdään tietokonesimulaatiota, jotta sensoreita voidaan virittää yhä herkemmiksi.

”Yritämme saada mahdollisimman tarkan kuvan hiukkasryöpyistä. Mittaamme niitä miljoonilla sensoreilla kaksikymmenmetrisessä, 15 tuhannen tonnin mittalaitteessamme. Mitä tarkemmiksi pääsemme mittaustuloksissamme, sitä todennäköisemmin pystymme havaitsemaan uusia hiukkasia”, Pekkanen kertoo.

Hiukkasryöpyt voisivat Pekkasen mukaan olla avain uusien massiivisien hiukkasten löytymiseen. Hän on etsinyt niitä protonien törmäyksistä, joissa syntyy kaksi vastakkaisiin suuntiin syöksyvää hiukkasryöppyä.

“Ne voisivat olla tapahtumia, joissa tuntematon hiukkanen syntyy ja saman tien hajoaa muiksi hiukkasiksi. Olemme analysoineet miljardeja törmäyksiä ja etsineet niistä poikkeavia ja epäjohdonmukaisia ilmiöitä, jotka voisivat olla merkkejä vallankumouksellisista uusista hiukkasista”, Pekkanen selittää.

Pekkanen on tutkimuksessaan käyttänyt korkeinta Suurella Hadronitörmäyttimellä saavutettua törmäysten energiamäärää, 13 teraelektronivolttia. Se on paljon jo yhdelle protonille, noin lentävän hyttysen liike-energiaa vastaava määrä. Kaikkien hiukkaskiihdyttimessä kiitävien protonien yhteenlaskettu energiamäärä riittäisi jumbojetin lentämiseen.

Kokeet jatkuvat, ja vuoden 2022 loppuun mennessä Suurella Hadronitörmäyttimellä pyritään keräämään nykyistä kymmenen kertaa enemmän dataa.

”Toistaiseksi emme ole löytäneet Higgsin bosonista seuraavaa uutta, massiivista hiukkasta. Todennäköisesti tarvitsemme uuden sukupolven hadronitörmäyttimiä ja mittalaitteita, jotta voimme törmäyttää monta kertaa nykyistä suuremmilla energiamäärillä – ja selvittää pitkään arveluttaneet fysiikan mysteerit.” 

Juska Pekkanen väitteli Aalto-yliopiston teknillisen fysiikan laitokselle 5.12.2017.

Linkki väitöskirjaan: https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/28899