Nobel-palkinto Higgsin hiukkasen löytäjille

Peter Higgs.
Kuva Wikimedia Commons.

Tämän vuoden Nobel-palkinto on myönnetty brittiläiselle emeritusprofessori Peter Higgs’ille (s. 1929) (Edinburghin yliopisto) ja belgialaiselle emeritusprofessori Francois Englert’ille (s. 1932) (Brysselin vapaa yliopisto) aineen massan aiheuttavan Higgsin kentän teoreettisesta tutkimisesta ja ”löytämisestä” vuonna 1964. 

Kahdestaan nämä herrat eivät työtä tehneet, sillä mukana oli koko joukko muitakin tutkijoita: Englertin tutkijaparina oli Robert Broutin ja kolmantena tutkimusryhmänä olivat Gerald Guralniki, Carl Rirchaerd Hagenin ja Tom Kibblen. Peter Higgs teoreettisena fyysikkona työskenteli yksin.

Teoria tunnetaan Higgsin teoriana ja se täydentää standardimallin hiukkasteoriaa. Standardimalli ei selitä aineen massan olemassa oloa. Higgsin ja Englertin teoriat kuitenkin selittävät, sillä niiden mukaan aineen massan aiheuttaa hiukkasten vuorovaikutus kaikkeuden täyttävän Higgsin kentän kanssa; massiivisten hiukkasten vuorovaikutus on voimakasta ja keveiden hiukkasten lähes olematonta.

Tässä vaiheessa joku saattaa kysyä, että mikä se Higgsin bosoni sitten on jos massa

Francois Englert. 
Kuva Wikimedia Commons.

aiheutuu Higgsin kentästä? Higgsin hiukkanen tai tarkemmin bosoni (H0) on Higgsin kentän ja massallisten hiukkasten välillä tapahtuvan vuorovaikutuksen välittäjähiukkanen eli mittabosoni. Muita tunnettuja bosoneita ovat gluoni (vahva vuorovaikutus), W- ja Z-bosonit (heikko vuorovaikutus) ja fotoni (sähkömagneettinen vuorovaikutus).

Higgsin hiukkasen löytyminen viimevuonna (4.7.2012) CERNin Large Hadron Collider -hiukkaskiihdyttimen ATLAS- ja CMS-hiukkasilmaisimilla oli ratkaiseva askel niin itse Higgsin hiukkasen ja etenkin siihen liittyvän Higgsin kentän olemassa tieteellisessä osoittamisessa. Ennen löytöä hiukkasen olemassa oloa oli sekä tuettu mutta myös vastustettu laajoissa tutkijapiireissä, joten aivan päivän selvää niin teorian vahvistuminen kuin hiukkasen löytyminen ei ollut.

Higgsin kenttä on ominaisuuksiltaan poikkeava muihin kenttiin (esimerkiksi sähkökenttään) nähden. Ilmiö tunnetaan Higgsin mekanismina. Kentät asettuvat energiatilaltaan alhaisimpaan tilaan ns. fysikaalisessa vakuumissa^[1]. Näin esimerkiksi sähkökentän energiatila on nolla. Higgsin kentän vakuumitila poikkeaa kuitenkin nollasta (vaikka onkin energiatilaltaan matalin), joten kenttä ei häviä koskaan.

Higgsin hiukkanen saadaan realliseksi hiukkaseksi vain hyvin suurienergisissä törmäyksissä, sillä sen massa (=energia) peräti 125–127 GeV/c². Viime maaliskuun 14.päivänä Cernissä pidettiin lehdistötilaisuus, jossa tutkimustulokset virallisesti julkaistiin. Toki löytö oli odotettu ja toivottu ja erilaisia huhuja ennen tiedotustilaisuutta liikkui tutkijapiireissä. Löytöä oli liian vaikea pitää salassa kovinkaan pitkää aikaa.

Huomautus

[1] Vakuumi on tila, jossa ei ole sen paremmin alkeishiukkasia(=massaa), mittabosoneita, sähkövarauksia ja siinä olevien kenttien energiatilat ovat arvoltaan mahdollisimman alhaisia (=nolla). Tällaista olotilaa ei käytännössä pystytä valmistamaan mutta teoreettisesti sellainen voisi kyllä esiintyä spontaanisti, jolloin se laajenisi valonnopeudella. 

Vakuumin spontaani ilmaantuminen on ehkä mahdollista vasta hyvin kaukaisessa tulevaisuudessa maailmankaikkeuden ikuisena jatkuvan laajenemisen saavutettua tietty tila, ehkä noin 10¹⁰⁰ vuoden kuluttua. Tässä ollaan kuitenkin hyvin pitkälti spekulaatioiden varassa. Vakuumi ja siihen liittyvä väärä vakuumi sisältyvät kvanttikenttäteoriaan.