Kaksi hiukkasta törmää

Ylipainoinen hiukkanen haastaa fysiikan

W-alkeishiukkanen on osoittautunut painavammaksi kuin sen pitäisi olla, ja nyt fyysikot eivät saa tähän asti parasta malliaan maailmankaikkeuden massasta toimimaan. Jos mittaukset pitävät paikkansa, kyseessä voi olla tähän asti tuntematon hiukkanen, joka ehkä voisi selittää myös pimeän aineen.

W-alkeishiukkanen on osoittautunut painavammaksi kuin sen pitäisi olla, ja nyt fyysikot eivät saa tähän asti parasta malliaan maailmankaikkeuden massasta toimimaan. Jos mittaukset pitävät paikkansa, kyseessä voi olla tähän asti tuntematon hiukkanen, joka ehkä voisi selittää myös pimeän aineen.

Shutterstock

Fyysikoilla on suhteellisen hyvä käsitys siitä, mistä kaikki koostuu. He ovat mitanneet ja punninneet kaikki alkeishiukkaset, ja heillä on aika hyvä ymmärrys niistä luonnonvoimista, joilla on osansa hiukkasten vuorovaikutuksessa.

Nyt asia on kuitenkin mutkistunut, kun perusteellisesti suoritettu ja pitkään kestänyt koe on osoittanut, että fyysikoiden ymmärryksellä ympäröivästä maailmasta on sittenkin rajat. W-alkeishiukkanen eli w-bosoni on nimittäin osoittautunut painavammaksi kuin sen standardimalliteorian mukaan pitäisi olla.

W-hiukkanen välittää heikkoa ydinvoimaa, joten se on siksi mukana tietyissä radioaktiivisen hajoamisen prosesseissa. Standardimallin avulla fyysikot voivat laskea, mikä w-hiukkasen massan pitäisi olla. Uusien Science-tiedelehdessä julkaistujen tutkimustulosten mukaan w-hiukkasen massa on 0,1 prosenttia suurempi kuin laskelmat osoittavat.

Tulosten saaminen kesti 20 vuotta

CDF-ilmaisin

Fyysikot ovat käyttäneet Fermilabin Tevatron-kiihdytintä tuottaakseen neljä miljoonaa w-hiukkasta suureen CDF-ilmaisimeen.

© Fermilab

W-hiukkanen on suhteellisen raskas alkeishiukkanen, sillä se painaa suunnilleen yhtä paljon kuin viisi happiatomia. W-hiukkanen on kuitenkin epävakaa ja se hajoaa erittäin nopeasti muiksi hiukkasiksi, joten sitä on vaikea mitata. W-hiukkasten tuottamiseksi tarvitaankin iso kiihdytin ja niiden mittaaminen onnistuu vain herkällä ilmaisimella.

Koe suoritettiin Fermilabin valtavan Tevatron-hiukkaskiihdyttimen avulla vuosina 2002–2011. Sen jälkeen lähes 400 fyysikkoa on tehnyt töitä lähes 10 vuoden vuoden ajan Fermilabin CDF-ilmaisimen keräämän datan analysoimiseksi.

Fyysikot suorittivat kokeen testatakseen, onko heidän teoriansa oikea. Jos kokeen tulokset eivät sovi teoriaan, jossain on virhe, joko teoriassa tai kokeessa.

Tulokset viittaavat nyt siihen, että fyysikoiden paras teoria ei ole riittävän hyvä. Tilannetta voidaan verrata siihen, että fyysikot olisivat koonneet luonnon alkeishiukkasia esittävää palapeliä ja viimeinen pala olisikin osoittautunut liian suureksi.

Kaavio-w-bosoni

Mittaukset osoittavat, että w-hiukkasen massa on hieman suurempi kuin sen pitäisi teorian mukaan olla. Jos fyysikkojen malli olisi oikein, mittaustulokset sijoittuisivat violetille viivalle, mutta ne osuvatkin punaiseen ympyrään.

Uusi hiukkanen voi selittää pimeän aineen

Koska palapeli ei valmistu, se pitää koota uudelleen, ehkä jopa tähän asti tuntemattoman uuden palan avulla. Pala voi olla uusi hiukkanen tai luonnonvoima.

Tutkijat toivovat, että havainto voi johtaa heidät uuden fysiikan äärelle. Sen avulla voitaisiin selittää sekä w-alkeishiukkasen ylipaino että pimeä aine. Astronomit ovat havainneet, että suurin osa universumien aineesta on näkymätöntä. Ehkä outo pimeä aine koostuu samasta hiukkasesta, joka jollain tavalla antaa w-hiukkaselle sen lisämassan.

On kuitenkin myös mahdollista, että fyysikot ovat tehneet virheen, kun he ovat laskeneet kokeen datasta w-hiukkasen massaa. Ehkä hiukkanen ei painakaan niin paljon.

Siksi on tärkeää, että toiset tutkijat vahvistavat tulokset. On myös olemassa jo suunnitelmia kokeen toistamiseksi entistä tarkemmilla laitteilla. Erityisesti LHC-kiihdyttimen seuraajaksi ehdotettu Future Circular Collider sopisi hyvin w-hiukkasen uudelleenpunnitukseen.