Higgsin hiukkasten verkosto pitää koossa niin galakseja maailmankaikkeuden laidalla kuin ihmisten elinten solujakin.
Hiukkasia ei voi nähdä eikä edes suoraan mitata, mutta niiden muodostamat niin sanotut Higgsin kentät takaavat aineen vakauden. Muuten maapallo hukkaisi massansa tuon tuostakin.
Higgsin kenttä on ollut toiminnassa tauotta maailmankaikkeuden alkuajoista lähtien. Se varmistaa, että kaikilla atomien osilla, kuten kvarkeilla ja elektroneilla, on massa.
Se, miten tämä massakenttä toimii, on kuitenkin ollut hämärän peitossa siitä lähtien, kun Higgsin hiukkanen ensimmäisen kerran havaittiin vuonna 2012.
Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskuksen Cernin tutkijat yrittävät paljastaa Higgsin kentän salat tuottamalla Higgsin hiukkasia pareittain ja selvittämällä, miten ne reagoivat keskenään.
Tositoimiin päästään vuonna 2021, kun Cernin suuri hadronitörmäytin LHC ja sen ilmaisimet on kunnostettu. Tavoitteena on lyhyesti ja ytimekkäästi selvittää, miksi aineella on massa. Samalla päästään ehkä kurkistamaan pimeän aineen maailmaan.
LHC:n ilmaisinlaite, 14 000 tonnia painava CMS eli Compact Muon Solenoid, kunnostetaan Higgsin hiukkasparien etsintää varten.
Yhteistyö luo Higgsin kentän
Vaikka Higgsin kenttää ei ole päästy tutkimaan, tutkijoilla on fysiikan teorioihin perustuva aavistus siitä, miten kenttä toimii.
Käytännössä Higgsin kenttä antaa hiukkasille energiaa, ja Albert Einsteinin kuuluisan yhtälön E = mc2 mukaan energia on yhtä kuin massa.
Higgsin kenttää voi verrata sähkökenttään, jossa on positiivinen ja negatiivinen elektrodi. Se kuitenkin eroaa sähkökentästä yhdeltä ratkaisevalta osin: sähkökenttä katoaa, kun elektrodien välinen jännite-ero on tasoittunut.
Higgsin kenttä sen sijaan on olemassa ikuisesti, koska Higgsin hiukkaset reagoivat keskenään taukoamatta. Niiden reaktiot ylläpitävät kentän varausta, joka antaa alkeishiukkasille niiden massan.
Kaikki atomin osaset, joilla on massa, reagoivat Higgsin kentän kanssa eri tavalla. Esimerkiksi kvarkit ovat lujasti sidoksissa kenttään ja ovat siksi raskaita.
Sen sijaan elektronien sidos on heikompi, ja siksi niiden massa on pienempi. LHC:n tehtävänä on selvittää, miten Higgsin hiukkasten reaktiot pitävät kenttää yllä.
Hajoaminen johdattaa etsijöitä
LHC on todennäköisesti jo tuottanut tuhansia Higgsin hiukkasten pareja, mutta niitä ei ole havaittu niiden biljoonien hiukkastörmäysten seasta, joita LHC:ssä on tapahtunut sen jälkeen, kun Higgsin hiukkanen löytyi. Nyt havaitseminen on todennäköisempää.
Higgsin hiukkasen paljasti harvinainen hajoamisreaktio, jossa hiukkanen hajosi kahdeksi runsasenergiaiseksi gammafotoniksi. Viime vuonna tutkijat löysivät Higgsin hiukkasen, joka hajosi kahdeksi raskaaksi pohja-kvarkiksi.
Sellaisia voi tiettävästi syntyä vain rajuissa protonien törmäyksissä muun muassa LHC:ssä.
Tällaista hajoamista tapahtuu arviolta 60 prosentissa niistä tapauksista, joissa LHC havaitsee yksittäisen Higgsin hiukkasen. Samoin pitäisi käydä silloin, kun hiukkasia syntyy pareittain.
Niinpä tutkijat tietävät nyt, miten hiukkasparien syntymisen voi nähdä törmäyttimen tietomassasta: kun syntyy yhtä aikaa neljä pohja-kvarkkia, on syntynyt Higgsin hiukkasten pari.
Tutkijat uskovat, että Higgsin hiukkasten parinmuodostuksen ja Higgsin kentän salat selviävät ennen kuin LHC jää eläkkeelle vuonna 2025.
Hiukkastörmäytin kunnostetaan etsimään Higgsin hiukkasia
Kun Large Hadron Collider -hiukkaskiihdyttimessä protonit (kuvan pitkissä putkissa) törmäävät toisiinsa 13 biljoonan elektronivoltin energialla, syntyy teoriassa yksi Higgsin pari (keltaiset kuviot) aina kahtatuhatta yksittäistä Higgsin hiukkasta kohti.
Higgsin hiukkasparin paljastavat neljä kvarkkia (harmaat kartiot), joiksi pari yleensä hajoaa.
Koska hiukkasparin synty on niin harvinainen tapahtuma, sen ennustaminen ei ole ennen onnistunut. Vuonna 2016 LHC:n ATLAS-ilmaisin havaitsi mahdollisen Higgsin hiukkasten parin, joka antoi osviittaa siitä, mistä kannattaa etsiä.
Seuraava koe tehdään vuonna 2021. Siihen mennessä LHC:n ilmaisimia parannetaan, ja vuosina 2024–2025 kunnostetaan itse törmäytintä niin, että protonikolareita syntyy 10 miljardia sekunnissa.
Silloin hiukkaspareja voi löytyä nykyistä useammin.
Alkuliemen resepti selville
LHC:n avulla on jo saatu aikaan maailmankaikkeuden alkuliemi eli kvarkki-gluoniplasma, joka vallitsi muutaman mikrosekunnin ajan alkuräjähdyksen jälkeen. Higgsin hiukkasten parit voivat auttaa näkemään itse alkuliemen syntymään sekunnin biljoonasosa alkuräjähdyksen jälkeen.
Silloin maailmankaikkeus oli teorian mukaan läpäissyt niin sanotun inflaatiovaiheen eli laajentunut valoa nopeammin. Laajentumisen saivat aikaan hiukkaset, joista käytetään nimitystä inflatoni.
Kun Higgsin kenttä syntyi, tapahtui olomuodon muutos samaan tapaan kuin silloin, kun vesihöyry tiivistyy nesteeksi. Kentän synty muutti inflatonien energian massaksi eli kvarkeiksi ja antikvarkeiksi.
Jos hiukkaspareja saadaan aikaiseksi kyllin paljon ja onnistutaan selvittämään, miten hiukkaset toimivat yhdessä, voidaan laskea alkuperäisen Higgsin kentän energiatiheys ja selvittää, miten raju olomuodon muutos oli.
Oikein raju olomuodon muutos on voinut luoda epävakauden, jonka tuloksena ainetta syntyi enemmän kuin antiainetta.
Higgsin kenttä loi massan alkuräjähdyksen jälkeen
1. Maailmankaikkeus kasvoi
Alkuräjähdyksen jälkeen maailmankaikkeus laajeni valoa nopeammin.
Kun tämä niin sanottu inflaatiovaihe pysähtyi sekunnin biljoonasosan jälkeen, laajenemisen energia kohdistui aineen olomuodon muutokseen ja tuloksena oli alkeishiukkasten alkuliemi.
2. Higgsin kenttä syntyi
Olomuodon muutos synnytti Higgsin kentän kaikkialla maailmankaikkeudessa, joka tuossa vaiheessa oli noin jalkapallon kokoinen.
Kenttä antoi massan kvarkeille ja antikvarkeille, jotka yhdessä massattomien gluonien kanssa muodostivat alkuliemen.
3. Materia päihitti antimaterian
Kvarkit ja antikvarkit tuhosivat toisensa, mutta kvarkkeja oli enemmän kuin antikvarkkeja.
Gluonit sitoivat kvarkit kolmen joukoiksi, joista syntyivät protonit ja neutronit ja niistä atomit.
Higgsin hiukkasten parien reaktiot ehkä osoittavat, miten olomuodon muutos tapahtui.
Pimeitä Higgsin hiukkasia
Aineen voitolle antiaineesta on etsitty selitystä vuosikausia. Teorian mukaan alun perin olisi pitänyt syntyä yhtä paljon kvarkkeja ja antikvarkkeja, mutta silloin maailmankaikkeus olisi tyhjä, sillä aine ja antiaine tuhoavat toisensa.
Niinpä jokaista miljardia antikvarkkia kohti on jossakin täytynyt syntyä miljardi ja yksi kvarkkia. Näistä ylijäämäkvarkeista syntyivät atomit. Higgsin hiukkaset ja niiden massakenttä on jo kauan sitten liitetty osaksi hiukkasfysiikan standardimallia selittämään, miten alkeishiukkaset saavat massan.
Kun LHC bongasi Higgsin hiukkasen, malli vahvistui todeksi. Siinä on kuitenkin yhä aukkoja. Esimerkiksi pimeän aineen alkuperää ei osata selittää. Arviolta 85 prosenttia galaksien massasta on pimeää ainetta.
Higgsin hiukkasten parit voivat tuoda uutta tietoa pimeästä aineesta. Teorioiden mukaan tavallisten hiukkasparien lisäksi on olemassa pimeiden Higgsin hiukkasten pareja, jotka luovat pimeän Higgsin kentän, joka antaa massan pimeälle aineelle.
Jättimäinen kiihdytin käyttöön 2040-luvulla
Jos pimeitä Higgsin hiukkasia on olemassa, niiden pareja pitäisi löytyä jopa kuusi kertaa enemmän kuin standardimalli ennustaa. Tämä havainto olisi vahva epäsuora todiste pimeän aineen olemassaolosta.
Jos LHC ei pysty tuottamaan tarpeeksi Higgsin hiukkasia, 2040-luvulla otetaan käyttöön Future Circular Collider. Se törmäyttää protoneja seitsemän kertaa kovempaa kuin LHC ja voi tuottaa 40-kertaisen määrän Higgsin hiukkasten pareja.