Väitöstutkija jahtasi merkkejä uudenlaisista Higgsin hiukkasista maailman suurimmalla hiukkastörmäyttimellä

Vuonna 2012 Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskuksessa Cernissä tehtiin historiaa, kun tutkijat ilmoittivat havainneensa uuden alkeishiukkasen. Kyseessä oli Higgsin bosoni, jota oli etsitty lähes 50 vuotta. Uusien hiukkasten metsästäminen jatkuu Cernissä edelleen. Monet teoreettiset fyysikot ovat esittäneet, että Higgsin bosoneita voi olla useita erilaisia. Näistä Higgsin bosonin sukulaishiukkasista etsitään nyt merkkejä maailman suurimmalla ja tehokkaimmalla LHC-kiihdyttimellä. 

Diplomi-insinööri Santeri Laurila puolustaa perjantaina 18.10. väitöskirjaansa, jossa LHC-kiihdyttimen tuoreesta datasta etsitään merkkejä sähkövarauksellisista Higgsin bosoneista.

– LHC-törmäyttimellä voimme tutkia luontoa energia-alueella, johon ihmiskunnalla ei ole koskaan aiemmin ollut pääsyä, Laurila sanoo.

Kun törmäysenergiaa kasvatetaan, todennköisyys Higgsin bosonien syntymiselle kasvaa. Tämä pätee myös sähkövarauksellisiin Higgsin bosoneihin, jos niitä on olemassa. Laurilan väitöstutkimuksessa sähkövarauksellisia Higgsin bosoneita etsitäänkin ennätyksellisen suurienergisistä törmäyksistä.

Tutkimuksen tulokset julkaistiin kansainvälisen tutkijaryhmän yhteisenä artikkelina arvostetussa Journal of High Energy Physics -lehdessä kesällä 2019. Todisteita sähkövarauksellisten Higgsin bosonien olemassaolosta ei saatu, mutta tulokset jättävät tilaa mahdollisuudelle, että etsitty signaali nousisi näkyviin, kun tulevaisuudessa analysoidaan suurempi määrä dataa.

– Kokeellisessa tutkimuksessa parasta on se, ettei sen tuloksia voi ennustaa etukäteen, Laurila toteaa.

Vuonna 2012 löydetty Higgsin hiukkanen oli niin kutsutun hiukkasfysiikan standardimallin viimeinen puuttuva palanen. Standardimallin ajatellaan olevan osa laajempaa, toistaiseksi tuntematonta teoriaa. Monet luonnokset tällaisesta teoriasta sisältävät sähkövarauksellisia Higgsin bosoneita, joten niiden löytyminen viitoittaisi tietä kohti laajempaa teoriaa.

Energia muuttuu aineeksi

LHC-törmäytin sijaitsee 27 kilometrin ympyrätunnelissa Geneven lähellä. LHC:ssa protoneita, eli vetyoatomien ytimiä, kiihdytetään tyhjiöputkissa hyvin lähelle valonnopeutta. Vastakkaisiin suuntiin kulkevat protonisuihkut ohjataan törmäämään toisiinsa. Törmäyksessä vapautuvasta energiasta voi syntyä uusia hiukkasia, kuten Higgsin bosoneita. Tätä energian muuttumista massaksi kuvaa Einsteinin kuuluisa yhtälö E=mc2. 

Suomalaiset tutkijat ovat mukana törmäyksiä mittaavassa CMS-kokeessa, jolla kerättiin myös Laurilan käyttämä data. CMS on kerrostalon kokoinen koelaitteisto, joka mittaa törmäyksissä syntyvneiden hiukkasten aiheuttamia signaaleja. Suomen osuutta Cernin kokeissa koordinoi Fysiikan tutkimuslaitos HIP.

Koneoppimisesta tehoa data-analyysiin

Väitöskirjassa analysoitu data kerättiin vuoden 2016 kokeissa. Sen jälkeen uutta dataa on kerätty kolminkertainen määrä. Uuden datan analysointi on parhaillaan käynnissä. Samalla tutkijat kehittävät yhä tarkempia menetelmiä datan seulomiseen. 

– Käytämme esimerkiksi uusimpia koneoppimismenetelmiä ja osallistumme niiden kehittämiseen. Itseoppivat algoritmit voivat havaita datasta asioita, joita ihminen ei ole tullut ajatelleeksi, Laurila toteaa.

Viime vuosina kerätyssä datassa riittää kuitenkin analysoitavaa, ja 2021 alkaen LHC:ssa törmäytetään protoneja todennäköisesti entistäkin suuremmalla energialla.

– Elämme jännittävää aikaa, jolloin tiedämme luonnosta enemmän kuin koskaan ennen, ja samalla ymmärrämme kuinka vähän oikeastaan tiedämme. Edistyneen teknologian ja kansainvälisen yhteistyön ansiosta meillä on kuitenkin käsissämme avaimet yhä laajempaan ymmärrykseen. 

Laurila laati väitöstutkimuksensa osana kansainvälistä tutkijaryhmää, jossa oli suomalaistutkijoiden lisäksi mukana fyysikoita mm. Massachusetts Institute of Technology -yliopistosta Yhdysvalloista, Kyprokselta ja Meksikosta.

DI Santeri Laurila väittelee 18.10.2019 kello 12 Helsingin yliopiston matemaattis-luonnontieteellisessä tiedekunnassa aiheesta Search for Charged Higgs Bosons Decaying to a Tau Lepton and a Neutrino with the CMS Experiment. Väitöstilaisuus järjestetään osoitteessa Exactum, auditorio CK112 (Pietari Kalmin katu 5, Helsinki). Vastaväittäjänä on professori Bill Murray, Warwickin yliopisto, ja kustoksena on professori Paula Eerola.

Lisätiedot:
Alkeishiukkasfysiikan tutkija, DI Santeri Laurila
Helsingin yliopisto
044 2630 995
santeri.laurila@helsinki.fi