Higgsin bosoni

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun
Higgsin bosoni
Simulaatio kahden protonin yhteentörmäyksestä, jossa syntyy Higgsin bosoni
Simulaatio kahden protonin yhteentörmäyksestä, jossa syntyy Higgsin bosoni
Rakenne Alkeishiukkanen
Perhe Bosoni
Ryhmä Skalaaribosoni
Status Alustavasti varmistettu[1]
Löydetty teoreettisesti Robert Brout, François Englert ja Peter Higgs
(1964)[2]
Löydetty Vastaava bosoni löydetty 4. heinäkuuta 2012[1]
Symboli H0
Massa 125–126 GeV/c²[3]
Elinaika 1,56 × 10-22s (Standardimallin ennuste)
Hajoaa hiukkaseksi W- ja Z-bosonit, 2 fotonia
Sähkövaraus 0
Värivaraus 0
Spin 0

Higgsin bosoni eli Higgsin hiukkanen (H0) on alkeishiukkanen, jonka olemassaolon hiukkasfysiikan standardimalli ennustaa ja joka on mahdollisesti löydetty Large Hadron Colliderissa. Higgsin bosonia vastaavan bosonin, jonka massa on 125–127 GeV/c², löytämisestä raportoitiin 4. heinäkuuta 2012.[4] Bosoni todistaisi hypoteettisen Higgsin hiukkasista koostuvan Higgsin kentän, joka antaisi joillekin hiukkasille massan, olemassaolon. Tämä täydentäisi suuren puutteen standardimallissa.

Higgsin bosoni ja kenttä on nimetty aihetta ensimmäisten joukossa teoreettisesti tutkineen englantilaisen fyysikon Peter Higgsin mukaan. Higgs on yksi ensimmäisiä joitakin bosonin ominaisuuksia ennustaneita fyysikoita. Hänen lisäkseen hiukkasen olemassaolon ennustivat lähes samanaikaisesti, toisistaan riippumatta Robert Brout ja Francois Englert.

Standardimallissa Higgsin bosoni on bosoni eli hiukkanen, joita voi olla samanaikaisesti useampia samalla kvanttiluvuilla. Sillä ei ole spiniä, sähkövarausta tai värivarausta. Bosoni on myös hyvin epävakaa ja hajoaisi muiksi hiukkasiksi hetkessä. Jos Higgsin bosonia ei löydettäisi, massalle täytyisi löytää vaihtoehtoinen selitys.[5]

Teoreettinen tausta[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Higgsin bosonin toivotaan antavan vastauksen kysymykseen, mikä joillekin hiukkasille, kuten elektroneille, aiheuttaa massan mutta toisille, kuten fotoneille, taas ei. Teorian perustana pidetään kolmea vuonna 1964 Physical Review Letters -julkaisusarjassa julkaistua sähköheikon symmetrian spontaania rikkoutumista käsitellyttä artikkelia. Ne ovat François Englertin ja Robert Broutin "Broken Symmetry and the Mass of Gauge Vector Mesons"[6], Peter Higgsin "Broken Symmetries and the Masses of Gauge Bosons"[7] ja Gerald Guralnikin, Carl Rirchard Hagenin ja Tom Kibblen "Global Conservation Laws and Massless Particles"[8].

1970-luvulla kehitetty hiukkasfysiikan standardimalli, joka selittää monia alkeishiukkasten välisiä vuorovaikutuksia menestyksekkäästi, ei kuitenkaan selitä massaa vaan kuvaa kaikki hiukkaset massattomiksi. Tähän ongelmaan ratkaisuksi kehitettiin Higgsin teoria. Teorian mukaan kaikkeuden täyttää erityinen Higgsin kenttä, joka vaikuttaa erilaisiin hiukkasiin eri voimakkuudella mutta joihinkin se ei vaikuta lainkaan. Mitä suurempi kentässä liikkuvien hiukkasten vuorovaikutus kentän kanssa on, sitä suurempi massa niillä havaitaan. Higgsin hiukkanen on Higgsin kentän eksitaatio, joka on mahdollista tuottaa tarpeeksi suurienergisissä törmäytyksissä. Higgsin hiukkanen ei siis sananmukaisesti anna massaa muille hiukkasille, kuten usein sanotaan, vaan se pikemminkin vain vahvistaa hypoteesin, että Higgsin kenttä on olemassa.[9]

Kaikki kentät, myös Higgsin kenttä, pyrkivät asettumaan mahdollisimman alhaiselle energiatasolle eli vakuumitilaan. Useilla kentillä, kuten sähkömagneettisella kentällä, se tapahtuu kentän arvon ollessa nolla. Higgsin kenttä kuitenkin poikkeaa siitä, sillä sen energiataso on alhaisin, kun kentän arvo poikkeaa nollasta. Tämän vuoksi Higgsin kenttä ei häviä eli ei saa arvokseen nollaa vakuumitilassa. Ilmiötä nimitetään Higgsin mekanismiksi.[9]

Kokeellinen tutkimus[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

CERNin edellisen vaiheen LEP-kiihdytin etsi Higgsin bosoneja vuosina 1989–2001. Kokeiden perusteella voitiin päätellä, että standardimallin mukaisen Higgsin bosonin massan on oltava vähintään 114 GeV/c². Standardimallia laajemmissa teorioissa massan alaraja voi olla tätä pienempi, esimerkiksi minimaalisessa supersymmetrisessä standardimallissa massan alaraja on noin 92 GeV/c² [10].

Myös Fermilabin Tevatron-kiihdyttimellä on etsitty Higgsin bosonia. Fermilabin kokeiden perusteella on voitu sulkea pois standardimallin Higgsin bosonin olemassaolo massavälillä 156–177 GeV/c²[11].

Mikäli Higgsin bosoni on olemassa, sen arvellaan löytyvän CERNiin rakennetulla LHC-hiukkaskiihdyttimellä, jota koekäynnistettiin vuonna 2008. Joulukuussa 2011 tehdyt havainnot viittasivat siihen, että se oli mahdollisesti löydetty, joskaan sitä ei vielä varmuudella tunnistettu.[12]

Heinäkuun 4. 2012 CERNin LHC:n kahden suurimman koeaseman, Atlasin ja CMS:n tutkijat pitivät Higgsin hiukkasen etsintää käsittelevän yhteisen tiedotustilaisuuden. Molempien koeasemien edustajat kertoivat löytäneensä uuden hiukkasen noin 125 GeV/c²:n massan kohdalta. Hiukkanen sopii standardimallin ennustuksiin, mutta varmuutta sen luonteesta jouduttaneen odottamaan.

Tiedotustilaisuuden mukaan tieteelle ennalta tuntematon bosoni on havaittu 5.0σ:n varmuudella. Lisäksi voidaan varmuudella sanoa, että bosonin spin on nolla tai parillinen kokonaisluku. Näitä ominaisuuksia ilmentävä hiukkanen on yhteensopiva oletukseen standardimallin Higgsin hiukkasesta. Jotta löydetty uusi hiukkanen voitaisiin kiistattomasti osoittaa standardimallin Higgsin bosoniksi, tarvitaan vielä lisää tutkimusta, kuten spinin ja pariteetin mittauksia.[13][14]

Tiedotustilaisuudessa 14.3.2013 kerrottiin vuonna 2012 tapahtuneen uuden hiukkaslöydön olevan mitä todennäköisimmin Higgsin hiukkanen. Tosin tarvitaan vielä lisätutkimuksia siitä, onko kyseessä oleva hiukkanen hiukkasfysiikan standardimallin ennustama Higgsin bosoni.[1] Higgsin bosoneita saattaa olla useita.[15]

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. a b c O'Luanaigh, Cian: New results indicate that new particle is a Higgs boson (lehdistötiedote) 14.3.2013. CERN. Viitattu 31.5.2013. (englanniksi)
  2. O'Luanaigh, Cian: CERN congratulates Englert and Higgs on Nobel in physics (lehdistötiedote) 4.7.2012. CERN. Viitattu 18.12.2013. (englanniksi)
  3. CERN experiments observe particle consistent with long-sought Higgs boson (lehdistötiedote) 4.7.2012. CERN. Viitattu 7.8.2012. (englanniksi)
  4. Perkins, Ceri & Collins, Nick: Higgs boson: scientists 99.999% sure 'God Particle' has been found Telegraph. 4.7.2012. Viitattu 4.7.2012. (englanniksi)
  5. Korteila, Maria: Higgsin hiukkanen - muuttuuko maailmankuvamme? Tiede. 4.7.2012. Viitattu 2.10.2012.
  6. Broken Symmetry and the Mass of Gauge Vector Mesons
  7. Broken Symmetries and the Masses of Gauge Bosons
  8. Global Conservation Laws and Massless Particles
  9. a b Maria Puustinen ja Oskari Ventilä: Higgsin hiukkanen. Valkoinen kääpiö, 2008, nro 1, s. 13-14. Jyväskylän Sirius. Lehden verkkoversio (pdf) Viitattu 31.8.2010.
  10. Particle Data Group: Gauge and Higgs bosons (pdf) 2010. Viitattu 12.8.2011. (englanniksi)
  11. Tevatron New Phenomena & Higgs working group: Combined CDF and DØ Upper Limits on Standard-Model Higgs-Boson Production 7/2011. Fermilab. Viitattu 12.8.2011. (englanniksi)
  12. Kaivattu Higgsin hiukkanen "vilahti" jo havaintolaitteissa HS 13.12.2011
  13. Higgs boson-like particle discovery claimed at LHC BBC 4.7.2012
  14. Cernin tutkijat: Higgsin hiukkasen löytyminen lähes varmaa HS 4.7.2012
  15. http://dujs.dartmouth.edu/physical_sciences/physicists-indicate-existence-of-multiple-higgs-bosons#.UdAjHjs9J0M

Aiheesta muualla[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]