Uusi luonnonvoima hiukkasia pohjakvarkkeja

Fyysikot jahtaavat uutta voimaa

Euroopan, Yhdysvaltojen ja Japanin hiukkasfyysikot ovat viime vuosina löytäneet tuntemattoman voiman merkkejä. Sitovaa todistetta etsitään nyt kilpaa. Jos se löytyy, maailmankaikkeuden suurimmat salaisuudet voivat paljastua.

Euroopan, Yhdysvaltojen ja Japanin hiukkasfyysikot ovat viime vuosina löytäneet tuntemattoman voiman merkkejä. Sitovaa todistetta etsitään nyt kilpaa. Jos se löytyy, maailmankaikkeuden suurimmat salaisuudet voivat paljastua.

Harald Ritsch/Science Photo Library/Shutterstock

Salaperäiset voimat jylläävät Sveitsissä satojen metrien syvyydessä. Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskuksen Cernin tutkijat eivät saa millään tuloksiaan vastaamaan fysiikan perusteorioiden oletuksia.

Jo 14 vuoden ajan hiukkasia on törmäytetty 27 kilometriä pitkässä LHC-kiihdyttimessä, jotta on päästy tutkimaan yhteentörmäyksissä syntyviä suurienergiaisia tuotteita. Teoriat maailmankaikkeuden rakenteesta ja siinä vaikuttavista voimista ovat yleensä saaneet tukea koetuloksista, mutta viimeisten viiden vuoden aikana LHCb-niminen hiukkasilmaisin on tuottanut päänvaivaa fyysikoille.

Ilmaisin määrittää tietyn oudon hiukkasen, joka ei käyttäydy niin kuin sen pitäisi, kun se hajoaa pienemmiksi suurienergiaisiksi hiukkasiksi. Siksi jonkin neljää tunnettua voimaa täydentävän tuntemattoman voiman täytyy vaikuttaa prosessiin.

Uusi voima olisi vuosisadan löytö. Se parantaisi mahdollisuuksia selvittää maailmankaikkeuden perimmäisiä salaisuuksia. Se saattaisi paljastaa, miksi universumissa on ainetta, mikä pitää galakseja koossa ja onko avaruudessa piileviä ulottuvuuksia.

Uusi luonnonvoima LHCb-ilmaisin Cern

Cernin LHCb-ilmaisimen mittaukset antavat ymmärtää, että tuntematon voima vaikuttaa tiettyjen hiukkasten hajoamiseen.

© CERN

Tuhatkunta fyysikkoa tarkkailee

Eri puolilla maailmaa työskentelevät fyysikot seuraavat tarkasti LHCb-hiukkasilmaisinta. Kaikkiaan noin tuhat tutkijaa valvoo omaa näyttöään ja analysoi koetuloksia – tietoisena siitä, että he voivat tehdä historiaa.

”Merkitys saattaa olla valtava – ehkä ensimmäinen askel matkalla kohti uuden voiman löytämistä!” Philip Ilten, LHCb-hankkeeseen osallistuva Cincinnatin yliopiston tutkija

Jos käy ilmi, että tuntematon voima on mukana pelissä, fyysikoiden standardimalli, joka käsittää kaiken olemassa olevan tiedon aineesta ja maailmankaikkeuden voimista, on uhattuna.

Nykyään malliin sisältyy neljä voimaa: painovoima, sähkömagneettinen voima, heikko ydinvoima ja vahva ydinvoima.

Neljä voimaa eroavat selvästi toisistaan sekä vaikutusalueeltaan että vahvuudeltaan. Vaikka painovoima ilmenee monin tavoin jokaisen arjessa, se on huomattavasti muita voimia heikompi.

Painovoima on toiseksi heikoimpaan voimaan, heikkoon ydinvoimaan, verrattuna noin kvintiljoona (ykköstä seuraa 30 nollaa) kertaa heikompi. Kun kolmella muulla voimalla on suuri merkitys atomien hiukkasten vuorovaikutukselle, painovoiman vaikutus on niin pieni, ettei sitä voida edes mitata.

Sen sijaan painovoima vaikuttaa pitkien matkojen päähän. Kun ydinvoimat vaikuttavat atomitasolla, painovoiman ja sähkömagneettisen voiman vaikutus ulottuu periaatteessa äärettömän kauas.

Jos mahdollinen viides voima on olemassa, ei tiedetä, millä etäisyydellä se vaikuttaa, mutta LHCb-tutkimusten tulokset vihjaavat, että sillä on jotain tekemistä atomiytimien hiukkasten kanssa.

Epävakaat hiukkaset rikkovat lakia

Standardimallissa hiukkaset jaetaan kahteen eri tyyppiin: voimien välittäjähiukkasiin ja maailmankaikkeuden aineen muodostaviin ainehiukkasiin. Jälkimmäisiin kuuluvat esimerkiksi elektronit ja kvarkit, jotka ovat atomiytimien rakenneosasia. Kvarkkeja on erilaisia. Protonit ja neutronit koostuvat kevyistä tyypeistä, ylös- ja alaskvarkeista.

Standardimalliin sisältyy lisäksi neljä raskaampaa kvarkkia: outo, lumo, pohja ja huippu. Ylös- ja alaskvarkkien tavoin ne voivat yhdistyä ja muodostaa suurempia hiukkasia, hadroneja.

Hadroneista tulee kuitenkin hyvin epävakaita. Esimerkiksi pohjakvarkin sisältävä hadroni hajoaa nopeasti kevyemmäksi hadroniksi. Prosessissa pohjakvarkki muuttuu kevyemmäksi lumokvarkiksi, ja kun näin tapahtuu, vapautuu elektroni tai myoni, joka on elektronin raskaampi serkku.

Nimenomaan näitä hajoamisen sivutuotteita voidaan määrittää LHCb-hiukkasilmaisimella.

Uusi luonnonvoima LHCb-ilmaisin

21 metriä pitkä ja 5 600 tonnia painava LHCb-ilmaisin paljastaa outojen hiukkasten hajotessa syntyvät elektronit ja myonit (punaiset viivat).

© CERN

Standardimallin mukaan kahdenlaisen hajoamisen suhteen pitää olla yleispätevä: elektroneja ja myoneja vapautuu täsmälleen yhtä suurella todennäköisyydellä.

Ilmaisimen pitäisi siis paljastaa yhtä monta hajoamisesta peräisin olevaa elektronia ja myonia, mutta käytännössä näin ei tapahdu. Kokeita on tehty yli viisi vuotta, ja tutkijat ovat analysoineet satojen miljardien hajoamisten tuloksia ja todenneet määrien olevan epäsuhteessa.

Sivutuote on elektroni 54 tapauksessa sadasta. Myonien osuus on siis vain 46. Tämä on kova isku standardimallille, joka on muuten kestänyt äärimmäisen hyvin tuhannet muut testit. Mallin yleispätevyyden voivat romuttaa vain uudet fysiikan ilmiöt.

Uusi luonnonvoima epätasapaino hiukkasia

LHCb-ilmaisin valaisee pohjakvarkkeja sisältävien hiukkasten (vihreä) hajoamista. Siinä pitäisi syntyä yhtä monta elektronia (sininen) ja myonia (punainen), mutta näin ei tapahdu. Epäsuhta voi johtua tuntemattomasta voimasta.

© Shutterstock & Lotte Fredslund

Tavoitteena on saada varmuus

Tukevalla pohjalla olevaa teoriaa ei tietenkään lähdetä kaatamaan kevyin perustein. Vaikka todistusaineistoa on kertynyt runsaasti, kyseessä voi olla satunnaisuus.

Siksi LHCb-hankkeen tutkijat ovat varovaisia päätelmissään ja käyttävät paljon aikaa sen selvittämiseen, kuinka suurella todennäköisyydellä löydöt eivät ole satunnaisia.

Selvitystyössä sovelletaan asteikkoa, jossa satunnaisen tapahtuman todennäköisyys ilmaistaan kreikkalaisen kirjaimiston sigmalla. Yksi sigma tarkoittaa, että havainto on hieman alle 16 prosentin todennäköisyydellä satunnaisilmiö.

Fyysikot pitävät uuden havainnon rajana viittä sigmaa. Silloin satunnaisilmiön todennäköisyys on ainoastaan yksi 3,5 miljoonasta.

Tulokset ovat 99,9-prosenttisesti varmoja – mutta se ei riitä!

LHCb:n tuoreimpien tulosten myötä on ylitetty kolme sigmaa, mikä merkitsee sitä, että havaittu elektronien ja myonien välinen epäsuhde selittyy 0,1 prosentin todennäköisyydellä satunnaisuudesta. Toisin sanoen tulokset ovat 99,9-prosenttisesti varmoja.

Siinä tapauksessa, että epäsuhde ilmenee myös tulevissa kokeissa ja viiden sigman raja tulee vastaan, teoreettisen fysiikan tutkijat pääsevät kilpailemaan siitä, kuka esittää parhaan selityksen.

Useimmat teoriat perustuvat neljää tunnettua voimaa täydentävään viidenteen voimaan. Jos se seuraa standardimallin logiikkaa, sillä on oma välittäjähiukkasensa. Muita voimiahan välittävät fotoni, gluoni ja W- ja Z-hiukkaset.

Perimmäisenä tarkoituksena on ratkaista uuden voiman avulla maailmankaikkeuden suurimmat arvoitukset.

Uusi luonnonvoima ratkaisee arvoituksia
© Mark Garlick/SPL/Getty Images/Harald Ritsch/Science Photo Library

Uusi voima voi paljastaa suurimmat salaisuudet

Jos fyysikot löytävät uuden voiman, he pääsevät etsimään vastauksia niihin perusluonteisiin kysymyksiin, joihin fysiikan nykyisillä teorioilla ei pystytä vastaamaan.

Uusi luonnonvoima alkuräjähdys
© Claus Lunau

1. Miksi ainetta on olemassa?

Alkuräjähdyksessä oletetaan syntyneen yhtä paljon ainetta ja antiainetta. Niiden olisi pitänyt hävittää toisensa ensimmäisen sekunnin aikana. Uusi voima saattaa selittää, miksi ainetta jäi yli.

Uusi luonnonvoima painovoima
© Shutterstock

2. Kuinka pimeä aine piiloutuu?

Galaksien näkyvän aineen painovoima ei riitä pitämään niitä koossa. Täytyy olla olemassa pimeää ainetta, joka vaikuttaa tähtien välissä. Uusi voima saattaa kirkastaa sitä.

Uusi luonnonvoima useita ulottuvuuksia
© Pasieka/Getty Images

3. Onko olemassa piileviä ulottuvuuksia?

Osa fyysikoista uskoo, että kaikkeudessa on useampia ulottuvuuksia kuin tuntemamme avaruus ja aika. Uusi voima ja sen välittäjähiukkanen voivat ehkä tehdä piilevät ulottuvuudet käsitettäviksi.

Jos uuden voiman välittäjähiukkanen on massallinen kuten W- ja Z-hiukkaset, se saattaa ratkaista yhden astrofysiikan suurimmista ongelmista: maailmankaikkeuden pimeän aineen.

Näkyvän aineen osuus universumin massasta on vain viidesosa. Loput on näkymätöntä ainetta. Silti tiedetään, että sitä on olemassa, sillä sen painovoimavaikutus voidaan havaita.

Ehkä uusi voima toimii pimeän aineen ja standardimallista tuttujen hiukkasten yhdyssiteenä. Siinä tapauksessa fyysikoiden voisi olla mahdollista tuottaa pimeää ainetta laboratoriossa uuden voiman avulla.

Toinen merkittävä näkymä on se, että tuntematon voima avaisi oven kaikkeudessa piileviin ulottuvuuksiin, joita osa fyysikoista olettaa olevan olemassa. Niistä voisi löytyä selitys painovoiman heikkoudelle. Ehkä painovoima yksinkertaisesti häviää tuntemattomiin ulottuvuuksiin.

Japani ja USA menevät ohi

LHCb-hankkeen tutkijat ovat johtoasemassa oletetun voiman jäljityksessä. He voivat kuitenkin menettää sen lähivuosina, kun Cernin kiihdytin on poissa käytöstä parannustöiden vuoksi.

Japanilaisessa Belle II -hankkeessa on alettu mitata pohjakvarkin sisältävien hadronien hajoamista. Fyysikkoja tietenkin jännittää, tuleeko esiin sama epäsuhta kuin LHCb-kokeissa.

Yhdysvalloissa Fermilabin kiihdyttimellä tutkimusta tekevät fyysikot ovat niin ikään saaneet vihiä tuntemattomasta voimasta, mutta toisella tavalla.

Yhdysvaltalaiskokeessa tarkastellaan myoneja, jotka ovat ikään kuin pieniä magneettisia hyrriä. Kun myonit altistetaan magneettikentälle, niiden pyörimisakseli muuttuu, mutta muutos on todettu 0,1 prosenttia suuremmaksi kuin sen teorian mukaan pitäisi olla. Tutkijat pitävät mahdollisena, että ero johtuu tuntemattomasta voimasta.

Uusi luonnonvoima Fermilab

Yhdysvaltalaisen Fermilabin fyysikot tutkivat, kuinka myonit käyttäytyvät, kun ne altistetaan magneettikentälle. Tulokset herättävät epäilyä tuntemattoman voiman vaikutuksesta.

© Fermilab

Voidaan odottaa, että jo seuraavien kymmenen vuoden aikana selviää, tuleeko viiden sigman raja vastaan. Cernin parannustöiden pitäisi päättyä vuonna 2028, joten eurooppalaistutkijat voivat päästä ottamaan loppukirin.

Tuolloin tuloksia saadaan ainakin kymmenkertaista vauhtia. Niinpä tutkijoilla on mitä parhaimmat mahdollisuudet hankkia sitova todiste tuntemattoman voiman olemassaolosta.