Pieni kimppu protoneja on matkalla kohti väkivaltaista loppuaan. Tutkijat pumppaavat radioaalloilla aina vain enemmän energiaa kimppuun, joka liikkuu ahtaassa putkessa melkein valon nopeudella.
Toisessa putkessa – muutaman sentin päässä – kiertää vinhasti samanlainen kimppu vastakkaiseen suuntaan. Kun kimput läpäisevät valtavat ilmaisimet, fyysikot antavat niiden törmätä toisiinsa voimalla, jolle ei mikään kone maailmassa vedä vertoja.
Protonit murskautuvat, ja ilmaisimet yrittävät tunnistaa, mitä uusia ja eksoottisia hiukkasia esiintyy yhteentörmäyksessä hajonneista protoneista syntyneessä pilvessä.
Näin ovat Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskuksen CERNin fyysikot tutkineet jo vuosikymmeniä maailmankaikkeuden pienimpiä osasia.
Vuodesta 2009 lähtien he ovat käyttäneet mahtavaa LHC-kiihdytintä, joka on ollut monessa mielessä menestys. Maailman suurin hiukkaskiihdytin on kuitenkin tuottanut myös pettymyksen.
Alusta asti on toivottu, että suurienergiaiset törmäykset LHC:ssä luovat oletettua pimeää ainetta, jonka avulla voidaan selittää, miksi tähdet eivät sinkoa ulos pyörivistä galakseista.
Koska pimeitä hiukkasia ei ole kuitenkaan ilmaantunut, CERN kaavailee yhdessä 70:n eri puolilla maailmaa toimivan tutkimuslaitoksen kanssa rakentavansa tulevaisuuden hiukkaskiihdyttimen FCC:n (Future Circular Collider).
Valtavan koneen renkaan muodostavasta kiihdytintunnelista on tarkoitus tulla 100 kilometriä pitkä, jotta se voi törmäyttää protoneja seitsemän kertaa niin suurella voimalla kuin LHC.
Maailman painavin kamera on CMS-ilmaisin, joka kuvaa myoneja.
Higgsin hiukkasen ilmaisin on saanut ison kasvojenkohotuksen
Iso CMS-ilmaisin, joka ottaa vastaan törmäävät hiukkaset, on saanut uuden tärkeän varusteen.
Sen reunoille on asennettu 144 ilmaisinta, jotka voivat antaa tarkan kuvan myoneista. Myonit ovat elektronien tavoin negatiivisesti varautuneita hiukkasia mutta ne ovat 200 kertaa niin painavia kuin elektronit.
Myoneja ei usein huomata, sillä ne eivät vuorovaikuta aineen kanssa. Tähän on nyt tulossa muutos myoni-ilmaisinten ansiosta.
Tutkijat toivovat, että ilmaisimet voivat auttaa saamaan selville, miten hiukkaset vuorovaikuttavat, kun ne törmäilevät toisiinsa.
Yksi CMS-ilmaisimen tärkeimmistä havainnoista on Higgsin hiukkanen, joka hajoaa neljäksi pienemmäksi alkeishiukkaseksi, joista kaksi on myoneja.
Näkymättömät kaksoset pelastavat
Kun LHC:llä löydettiin vuonna 2012 Higgsin hiukkanen eli Higgsin bosoni, kyseessä oli sensaatio. Hiukkasen olemassaolo oli nimittäin lopullinen todiste siitä, että historian laajin ja menestyksekkäin fysiikan teoria, standardimalli, pitää paikkansa.
Standardimalli on luettelo niin sanotuista alkeishiukkasista, jotka voidaan jakaa kahteen pääluokkaan: atomien rakenneosiin ja voimaa välittäviin hiukkasiin.
Cernin piirit ovat olleet kasvuuralla 60 vuotta
CERNissä tutkitaan atomien pienimpiä rakenneosasia törmäyttämällä eli saattamalla hiukkaset törmäämään toisiinsa suurella nopeudella ja analysoimalla rippeitä. Kokeet vaativat sitä enemmän energiaa, mitä harvinaisempia hiukkasia saalistetaan. Siksi renkaita suurennetaan.
Atomien rakenneosiin kuuluu 12 hiukkasta: kuusi kvarkki-, kolme elektroni- ja kolme neutriinotyyppiä. Kaikki maailmankaikkeuden atomit voivat syntyä niistä.
Materiaalihiukkasten lisäksi standardimalli kuvaa myös kolme neljästä perusvoimasta: sähkömagneettisen sekä vahvan ja heikon vuorovaikutuksen, joilla kaikilla on oma välittäjähiukkasensa.
Tunnetuin on fotoni, joka välittää sähkömagneettista voimaa. Vielä ei ole onnistuttu löytämään neljännen perusvuorovaikutuksen, gravitaation eli painovoiman, välittäjähiukkasta.
Siksi fyysikot ovat kehittäneet kvanttigravitaatioteorioita, joissa kappaleiden välisen vetovoiman välittää gravitoniksi kutsuttu alkeishiukkanen.
Nämä teoriat saadaan kuitenkin täsmäämään matemaattisesti ainoastaan siinä tapauksessa, että jokaisella alkeishiukkasella on näkymätön kaksonen.
Oletuksesta seuraa, että esimerkiksi standardimallin materiaalihiukkasella kvarkilla pitää olla voimaa välittävä kaksonen, skvarkki, ja voimahiukkasella fotonilla atomien rakenneosasiin kuuluva pari, fotiino.
Fyysikot toivoivat löytävänsä LHC:llä nimenomaan näitä kaksoshiukkasia, sillä löytö ei vain tasoittaisi tietä teorialle, jolla voidaan selittää kaikki universumin ilmiöt, vaan se myös todistaisi pimeän aineen olemassaolon – ja ratkaisisi samalla tähtitieteilijöiden suuren ongelman.
Mahtikiihdytin luo toisen alkuräjähdyksen
Vuonna 2035 CERN voi alkaa suorittaa kokeita ensimmäisellä niistä kahdesta kiihdyttimestä, joiden pituus on 100 kilometriä. Ensimmäinen tutkii lähemmin Higgsin hiukkasta, toinen taas etsii pimeää ainetta ja luo uudelleen kaikkeuden alkuliemen.
Tehtävä 1: tutkimus
Jättirengas valmistaa sarjana Higgsin hiukkasia
Elektroneja ja positroneja lähetetään kiihdyttimeen omista putkistaan. Koska elektroneilla ja positroneilla on vastakkaiset varaukset, magneettikenttä ohjaa ne omille teilleen. Neljässä kohdassa putket läpäisevät ilmaisimet, joissa hiukkaset törmäävät toisiinsa. Törmäykset tuottavat miljoonia Higgsin hiukkasia ja paljastavat, kuinka atomien ainesosaset saavat massansa kytkeytymällä Higgsin hiukkasiin.
Positronit ja elektronit reagoivat vastakkaisten varausten takia päinvastoin magneettikenttään.
Tehtävä 2: havainto
Protonien törmäykset paljastavat pimeät kaksoshiukkaset
Vaikka uusi FCC-kiihdytin uhkuu voimaa, pimeän aineen havaitseminen kaksoshiukkasina on suuri haaste siitä syystä, että pimeä aine on olemukseltaan hiukkasia, jotka eivät vuorovaikuta aineen kanssa. Ei ole mahdollista rakentaa ilmaisinta, joka pystyy mittaamaan ennustettuja kaksoshiukkasia suoraan, koska pimeä aine vain läpäisee sen. Pimeällä aineella on kuitenkin massa ja siten myös energia, josta ilmaisin voi löytää merkkejä.
Protoneja kiihdytetään kahteen eri suuntaan voimakkailla magneettikentillä ennen törmäytystä.
1.
Kun protonit hajotetaan, niiden sisukset, kvarkit ja gluonit, leviävät. Kun kaksi gluonia törmää toisiinsa, niistä tulee kaksoshiukkasia, gluiinoja.
2.
Jokainen gluiino hajoaa nopeasti kvarkiksi ja kvarkin kaksos-hiukkaseksi, jonka nimi on skvarkki.
3.
Jokainen skvarkki hajoaa kvarkiksi ja neutraliinoksi. Neutraliinot häviävät, eikä ilmaisin voi mitata niitä.
4.
Siten jäljelle jää neljä kvarkkia, ja koska gluonitörmäyksen energia tunnetaan, voidaan määrittää, vastaako puuttuva energia kahta neutraliinoa.
Tehtävä 3: aikamatka
Uusi kiihdytin vie tutkijat lähemmäs alkuräjähdystä
Sekunnin murto-osan kuluttua alkuräjähdyksestä kaikkeus oli protonien ja neutronien aineksista, vapaista gluoneista ja kvarkeista, koostuva alkuliemi. Pommittamalla rajusti lyijy-ytimiä protoneilla ja neutroneilla FCC luo uudelleen alkuliemen sellaisena kuin se oli alle nanosekunnin kuluttua alkuräjähdyksestä. Kaikkeuden kehitystä voidaan tutkia pienoiskoossa.
Lyijy-ytimet saavuttavat 99,98 % valon nopeudesta ennen törmäystä.
He eivät nimittäin pysty selittämään, kuinka tähdet voivat kiertää kovaa vauhtia galaksien keskusta sinkoutumatta niistä ulos – ellei sitten pimeä aine painovoimallaan estä tähtiä karkaamasta.
LHC:n voimat tuskin riittävät
Fysiikassa massa ja energia ovat saman asian eri puolia. Mitä raskaampi hiukkanen on, sitä enemmän siinä on energiaa. Siksi massa ilmaistaan usein gigaelektronivoltteina (GeV), vaikka kyse on energian yksiköstä.
Analysoituaan miljardeja protonien törmäyksiä LHC:ssä tutkijat ovat päätyneet siihen, että kaksoshiukkasten massa on ainakin 1 000–2 000 GeV.
Koska tuottamiseen tarvittava energiamäärä riippuu hiukkasten massasta, on epävarmaa, pystytäänkö näin raskaita hiukkasia luomaan LHC:llä. Esimerkiksi Higgsin bosoni painaa vain 125 GeV.
Siksi fyysikot kaipaavat valtavaa kiihdytintä, joka tuottaa paljon enemmän energiaa.
FCC:ssä tuotetaan protonien yhteentörmäyksiä, joissa vapautuu ennätykselliset 100 biljoonaa elektronivolttia.
Protonitörmäyksissä toivotaan syntyvän kaksoshiukkasia, joista pimeän aineen uskotaan koostuvan.
Kaksoshiukkasten löytyminen tukisi supersäieteoriaa, joka yhdistää suhteellisuusteorian ja standardimallin.
Nykyinen kiihdytin LHC antaa hiukkasille vauhtia, ennen kuin ne ohjataan uuteen FCC-kiihdyttimeen.
Kiihdytinrenkaan on tarkoitus olla 100 kilometriä pitkä. Se kulkee osin Ranskan, osin Sveitsin puolella.
Neljä ilmaisinta eri puolilla FCC:tä rekisteröi hiukkasten törmäyksissä vapautuvan energian.
Higgsin bosoni jatkotutkimuksiin
Vaikka FCC on tarkoitus saada käyttöön vasta vuonna 2035, CERN on jo perustanut työryhmän suunnittelemaan uutta jättikonetta. Hankkeen yksityiskohdista on herunut tietoa niukasti, mutta monet seikat viittaavat siihen, että kiihdytin rakennetaan 100 kilometriä pitkään tunneliin.
Valtavat mitat selittää se, että protonien kaltaiset sähkövaraukselliset hiukkaset lähettävät säteilyä, kun niiden rata kaareutuu, ja menettävät samalla energiaa.
Pitkällä tunnelilla voidaan minimoida kaarteet ja siten energiahäviö, mikä taas pienentää renkaassa kiertäviin hiukkasiin pumpattavan energian tarvetta.
FCC-työryhmän varapuheenjohtajan Frank Zimmermannin mukaan tunnelia käyttää todennäköisesti useampi kuin yksi kiihdytin.
Niistä ensimmäisenä rakennetaan ilmeisesti elektronikiihdytin, jossa törmäytetään elektroneja ja niiden antihiukkasia, positroneja.
Törmäykset ovat hyvin suoraviivaisia, koska elektronit ja positronit eivät koostu pienemmistä hiukkasista. Törmäyksissä elektroneista syntyy puhdasta energiaa, joka muutetaan sitten energiamäärältään vastaaviksi, ilmaisimilla havaittaviksi hiukkasiksi.
Siksi törmäykset ovat selkeämpiä ja helpommin analysoitavia. Tämän ansiosta elektronikiihdytin sopii täydellisesti tarkkuusmittauksiin.
Uusi kone pystyy tuottamaan miljoonia Higgsin hiukkasia. Sen sijaan LHC saa niitä tuskin aikaan tuhattakaan vuoteen 2035 mennessä.
Higgsin bosoni on se alkeishiukkanen, jonka vaikutuksesta kaikella maailmankaikkeudessa on massa.
Fyysikot tietävät Higgsin hiukkasen kytkeytyvän muihin alkeishiukkasiin ja hiukkasen massan riippuvan kytköksen vahvuudesta. Esimerkiksi elektronit kytkeytyvät heikosti Higgsin hiukkasiin ja ovat siksi pienimassaisia.
Sitä vastoin kvarkit ovat vahvemman kytköksen takia raskaampia. Uuden koneen myötä fyysikot saavat mahdollisuuden tutkia lähemmin kytkeytymismekanismia.
Muutaman vuoden käytön jälkeen elektronikiihdytin puretaan ja korvataan protonikiihdyttimellä. Protonit, joiden massa on 2 000-kertainen elektroneihin verrattuna, voivat tuottaa paljon suurienergiaisempia törmäyksiä.
2000 GeV, 16 kertaa Higgsin bosonin verran, uskotaan pimeiden hiukkasten painavan.
Protonikiihdyttimellä onkin mahdollista saalistaa uusia hiukkasia. Fyysikot tähtäävät ennätyksellisen suureen 100 000 gigaelektronivoltin törmäysenergiaan, joka saattaa olla kaksoshiukkasten tuottamisen edellytys.
Protonikiihdyttimen miinuksiin kuuluu se, että törmäyksiä on vaikea analysoida. Koska protonit koostuvat materiaalihiukkasista kvarkeista ja vuorovaikutushiukkasista gluoneista, niistä syntyy törmäyksessä paljon monimuotoisempi hiukkaspilvi kuin elektroneista.
Jos kiihdytin paljastaa kaksoshiukkasia, puhutaan vuosisadan löydöstä, sillä se ratkaisee yhdellä kertaa monta fysiikan ja tähtitieteen ongelmaa.
Mikäli FCC ei sen sijaan löydä pimeää ainetta, voidaan olla varmoja, että kaksoshiukkasia ei ole olemassa, koska ne ovat siinä tapauksessa liian raskaita.
Niinpä myös epäonnistuminen pimeiden hiukkasten etsinnässä vie tutkijoita eteenpäin pimeän aineen selvittämisessä.