Kaikki universumin tunnettu aine – kaukaisista galakseista ihmiskehon aminohappoihin – kuvataan standardimallissa. Fysiikan raamattu selittää, mistä hiukkasista atomit koostuvat ja mitkä voimat niitä ohjaavat.
Standardimalli on maailman menestyksekkäin tieteen teoria. Sen pohjalta on muun muassa voitu kehittää kaikki moderni elektroniikka. Teoriassa on kuitenkin useita vakavia puutteita – se ei esimerkiksi selitä painovoimaa.
Fyysikot pyrkivätkin jatkuvasti parantamaan mallia, ja kymmenen vuotta sitten aloitettiin laaja hanke punnitsemalla W-bosonia, välittäjähiukkasta, jolla on osansa radioaktiivisuudessa. Kun tulos julkistettiin 2022, fyysikot olivat ällikällä lyötyjä.
Täysin odotusten vastaisesti tarkat mittaukset osoittivat W-hiukkasen olevan paljon painavampi kuin standardimalli ennustaa.
0,09 prosenttia poikkeaa uusi W-bosonin massan mittaustulos standardimallin ennusteesta.
Tämä oli ensimmäinen kerta, kun arvostettu teoria sai tieteellisestä kokeesta kovan kolauksen. Yllättävää kyllä monet fyysikot ovat riemuissaan.
Fyysikot ovat nimittäin vuosia tavoitelleet parempaa teoriaa, joka voi selittää sekä painovoiman että arvoituksellisen pimeän aineen.
Painovoimalta puuttuu hiukkanen
1930-luvulta alkaen tuhannet kokeet ovat osoittaneet, että kaikki universumin aine koostuu muutamista rakenneosasista, joita kutsutaan alkeishiukkasiksi, ja sitä ohjaa neljä perusluonnonvoimaa.
Paras kuvaus rakenneosasten ja luonnonvoimien yhteistoiminnasta on kuvattu standardimallissa, joka kehitettiin 1970-luvulla ja jota sittemmin on vahvistettu ja laajennettu koe kokeelta.
Standardimallin mukaan luonnonvoimat vaikuttavat atomeihin välittäjähiukkasten avulla, mutta malli kuvaa vain kolmen voiman välittäjähiukkaset: sähkömagneettisen voiman, vahvan ydinvoiman ja heikon ydinvoiman.
Painovoimalta puuttuu yhä välittäjähiukkanen.
Standardimalli kuvaa pienimmät osaset
Standardimalli on fyysikoiden peruskirja. Sen mukaan kaikki aine koostuu kuudesta erilaisesta kvarkista, kolmenlaisista elektroneista ja kolmenlaisista neutriinoista. Niitä kutsutaan ainehiukkasiksi. Kolme luonnonvoimaa – sähkömagneettinen voima sekä vahva ja heikko ydinvoima – vaikuttaa ainehiukkasiin välittäjähiukkasten kautta. Kaikki hiukkaset saavat massansa vuorovaikuttamalla Higgsin hiukkasen kanssa.
Jo 1900-luvun alussa Albert Einstein ja Max Planck havaitsivat, että valohiukkanen välittää sähkömagneettista voimaa.
Ilo olikin suuri, kun fyysikot Euroopan hiukkastutkimuskeskuksessa CERNissä 1983 todistivat, että myös toista luonnonvoimaa, heikkoa ydinvoimaa, välittävät hiukkaset.
Kyseessä ovat W-bosoni ja sen kumppani Z-bosoni, jotka vastaavat radioaktiivisesta hajoamisesta atomiytimissä.
Siten oli selvää, että kaksi neljästä luonnonvoimasta toimii välittäjähiukkasten eli bosonien avulla. Bosoneja kutsutaan joskus myös kvanteiksi.
Sittemmin tutkijat ovat selvittäneet, että myös vahva ydinvoima, joka pitää atomiytimet koossa, toimii välittäjähiukkasten avulla.
Vuonna 2012 standardimalli täydentyi, kun CERNissä löydettiin teoriassa ennustettu Higgsin hiukkanen, joka antaa kaikille aine- ja välittäjähiukkasille niiden massan.
Hiukkaset välittävät luonnonvoimia
Fotonit välittävät sähkömagnetismia
Sähkömagneettinen voima, esimerkiksi valo, leviää atomista atomiin valohiukkasten eli fotonien avulla. Kun atomiin osuu fotoni, se työntää elektronin korkeammalle energiatasolle. Kun elektroni tipahtaa takaisin alemmalle tasolle, vapautuu uusi fotoni.
Gluonit liimaavat atomiytimet
Atomiytimien neutronit (vas.) ja protonit koostuvat kvarkeista. Vahva ydinvoima sitoo kvarkit yhteen välittäjähiukkasten, gluonien (kelt.), avulla. Voima on äärimmäisen suuri, ja ydinvoima toimii hajottamalla atomiytimiä ja vapauttamalla energiaa.
W ja Z välittävät heikkoa ydinvoimaa
Radioaktiiviset aineet ovat epävakaita, koska niiden atomiytimessä on liian monta neutronia suhteessa protonien määrään. Vakauden palauttamiseksi aineen yksi neutroni muuttuu protoniksi W- ja Z-bosonien avulla ja elektroni vapautuu.
Nyt uudet mittaukset W-bosonin massasta uhkaavat kumota koko mallin.
W-bosoni on 0,09 prosenttia liian painava
Huhtikuussa 2022 fyysikot julkistivat nyt jo käytöstä poistetussa Tevatron-kiihdyttimessä Yhdysvalloissa tehdyt 4 miljoonan W-bosonin punnitukset.
Tulos on tähän mennessä täsmällisin mittaus W-bosonin massasta, joksi tutkijat ilmoittavat 80,43335 miljardia elektronivolttia (GeV). Se vastaa 85 protonin massaa.
Vaikka se on vain 0,09 prosenttia enemmän kuin standardimallin ennuste, kyseessä on valtava poikkeama. Standardimallin hyväksytty epätarkkuus on nimittäin vain 0,01 prosenttia.
Protonien ja antiprotonien törmäykset Tevatron-kiihdyttimessä tuottivat 4 miljoonaa W-hiukkasta, joiden avulla fyysikot mittasivat voimahiukkasen massaa.
Poikkeavaan tulokseen on vain kaksi mahdollista selitystä. Joko mittauksissa on järjestelmällinen virhe, jota ei ole havaittu, tai sitten universumissa on tuntemattomia hiukkasia tai voimia, jotka vaikuttavat W-bosonin massaan ja tekevät siitä odotettua painavamman.
Hiukkasilla on superkumppani
Kaikki aine- ja välittäjähiukkaset saavat massansa Higgsin hiukkasen kentästä. W-bosonit sitoutuvat vahvasti kenttään ja niistä tulee raskaita, kun taas esimerkiksi elektronit sitoutuvat heikommin ja ovat siksi kevyempiä.
Standardimalli operoi vain yhdellä Higgsin hiukkasella, mutta on myös esitetty teoria, joka ennustaa useiden Higgsin hiukkasten olemassaolon: teoria supersymmetriasta.
Jos tuntemattomat Higgsin hiukkaset sitoutuvat W-bosoniin, se voi selittää, miksi se on standardimallin oletusta painavampi.
Ehkä W-bosonilla on tuntematon kumppani, joka voi selittää universumin mystisen pimeän aineen.
Teorian mukaan kaikilla hiukkasilla on vielä tuntematon ja raskaampi superkumppani. Ainehiukkasilla on superkumppanina välittäjähiukkanen, kun taas välittäjähiukkasilla, kuten W-bosonilla, ainehiukkanen.
Supersymmetriateoriaan kuuluu kaksi mullistavaa näkökulmaa.
Ensinnäkin se voi, toisin kuin standardimalli, kuvata painovoiman kvanttimekaanisesti, toisin sanoen välittäjähiukkasten avulla. Teorian mukaan painovoimaa välittävät hypoteettiset gravitoneiksi kutsutut hiukkaset.
Toisekseen universumin oudon pimeän aineen saattavat muodostaa juuri vielä löytymättömät raskaat superkumppanit. Tämä ratkaisisi yhden fysiikan suurimmista arvoituksista, koska pimeä aine tarkoittaa juuri sitä, että fyysikot eivät pysty selittämään 85:tä prosenttia galaksien massasta.
Jos W-bosonin ylipaino johtuu supersymmetriasta, uudet mittaustulokset tosiasiassa mahdollistaisivat raskaiden superkumppanien massan ennustamisen hyvin tarkasti.
Näin teoriaa voitaisiin testata kokeellisesti. Tuntemattomien hiukkasten etsiminen hiukkaskiihdyttimestä on kuin neulan etsimistä heinäsuovasta, mutta kun tiedetään, minkälaista massaa pitää etsiä, tehtävä helpottuu huomattavasti.
Ensiksi on kuitenkin varmennettava W-bosonin ylipaino. Jo ensi vuonna LHC-hiukkaskiihdytin on valmiina ennätyssuureen W-bosonin massan testaussarjaan, ja jos se vahvistaa ylipainon, tie on viitoitettu uudenlaiselle fysiikalle.