Lisää viitteitä tetrakvarkista

LHCb-tutkimusryhmä on löytänyt lisää viitteitä tetrakvarkista. Tällä kertaa havainnot oli tehty CERNin tutkimuslaboratoriossa ja niistä raportoitiin CERNissä pidetyssä seminaarissa ja raportti julkaistiin ArXiv-verkkojulkaisussa^[1].

Olisiko uusi tuntematon hiukkanen yksi neljän c-kvarkin muodostama,vai jotain muuta?

Tutkimusryhmä käsitteli uudelleen vuosina 2009–2013 ja 2015–2018 saatua mittausdataa, selvittääkseen mikä aiheuttaa pienen kohouman, joka aikaisemmin oli jätetty tarkempaa analyysiä vaille. Osoittautui, että syy voisi olla neljästä kvarkista koostuva hiukkanen, tetrakvarkki.

Hiukkasen X(6900) massan ja energian perusteella tutkijat ovat päätyneet tulokseen, että se voisi olla kaikkein todennäköisimmin neljästä c-kvarkista muodostunut^[2] hiukkanen. Tosin hiukkasen rakenteesta ei vielä ole tietoa. Sen rakenne voi olla yhden hiukkasen sijaan myös kahdesta charmonium-hiukkasen^[3] yhteenliittymästä tai jostakin muusta, toistaiseksi tuntemattomasta tai vähemmälle huomiolle jääneestä yhdistymisestä.  

Huomautukset

[1] Tutkimuksen pdf-versio löytyy osoitteesta https://arxiv.org/abs/2006.16957

[2] Kvarkkeista ja niiden muodostamista hiukkasista on kerrottu enemmän artikkeleissa

 https://avaruusmagasiini.blogspot.com/2015/07/pentakvarkki-loytynyt.html

https://avaruusmagasiini.blogspot.com/2016/07/hiukkastutkijat-loysivat-kokonaisen.html

[3] Charnomium-hiukkanen koostuu c- ja anti-c -kvarkista.

Hienosti Higgsistä

Sean Carroll

Maailmanlopun hiukkanen – Miten Higgsin hiukkasen etsintä vie kohti uutta käsitystä maailmankaikkeudesta

Suomentaja Tuukka Perhoniemi

ISBN 9789525985276

Sidottu, 345 sivua

Ursa ry 2015.

Jos vähänkin olet seurannut luonnontieteellistä tutkimusta ja sen uutisointia, et ole voinut välttää uutisia Higgsin hiukkasesta. Higgsin hiukkasen on kerrottu liittyvän tavalla tai toisella aineen massaan, mutta miten, se on saattanut jäädä arvoitukseksi!

Sean Carrollin kirja Maailmanlopun hiukkanen luo selvyyttä aineen massan ongelmaan, eikä vain aineen vaan myös koko alkeishiukkasten standardimalliin, jonka viimeinen löytymätön hiukkanen Higgsin bosoni oli. Vuonna 2012 Cernissä tehty löytö oli samalla erään aikakauden hieno päätös, ja kuka ties uuden aikakauden alku.

Higgsin bosoni on Higgsin kentän välittäjähiukkanen. Se ei ole massan synnyttäjä vaan sen olemassa olo on vahvistanut Higgsin kentän olevan todella olemassa. Tavallisista kentistä, kuten sähkö- tai gravitaatiokentistä poiketen Higgsin kenttä on myös täysin tyhjässä avaruudessa. Lisäksi Higgsin kentän energia ei ole nolla edes tyhjässä avaruudessa. Aineen massa näyttäisi syntyvän tavallisten alkeishiukkasten ja kentän välisestä vuorovaikutuksesta; mitä voimakkaampaa vuorovaikutus on sitä massiivisemmasta hiukkasesta on kysymys.

Kuinka Higgsi löydettiin? Carrol kertoo sen kirjassaan. Muistanet uutisista ehkä sen, että löytö tehtiin Euroopassa, Ranskan ja Sveitsin rajalla sijaitsevassa tutkimuslaitoksessa CERNissä. CERNiin valmistui 2011 suuri hadronitörmäytin, lyhyemmin LHC, jonka toisiinsa törmäävien hiukkasten vapauttama energia mahdollisti Higgsin ilmaantumisen. Itse hiukkasta ei vieläkään ole nähty, sillä siihen se on aivan liian lyhytikäinen mutta sen hajoamistuotteet tutkijat ovat onnistuneet havaitsemaan ja tunnistamaan.

Löytö on sen verran tärkeä hiukkasfysiikassa, että siitä luovutettiin Nobell-palkintoja vuonna 2013. Tällöin palkinnon saajina olivat Peter Higgs ja François Englert. Nämä kaksi tutkijaa olivat tärkeässä asemassa nyttemmin Higgsin bosonina tunnetun hiukkasen teoreettisen pohjan luomisessa, vaikkakaan eivät olleet yksin. Lukuisia muita tutkijoita oli tehnyt työtään löytöön johtaneen teorian kanssa mutta palkinnonsaaneet olivat riittävän lähellä ja ensimmäisinä teorian luomisessa.

Ehkä sattumaa tai ei, mutta samassa CERNin tutkimuslaitoksessa kehitettiin hyperteksti, jonka ensimmäinen ja varmasti tunnetuin sovellus on www eli World Wide Web eli Internetissä käytettävä hyperteksti. Ilman sitä nettisivut ja viestitys olisi edelleen tekstipohjaista ja varsin ikävän näköistä.

Higgs oli viimeinen hiukkasfysiikan standardimallin löytymätön hiukkanen, vai oliko sittenkään? Teoriassa higgsejä voi olla useampia jopa neljä muuta hiukkasta. Uusimpien tutkimusten mukaan CERNissä löydetyn hiukkasen massa on 125,09 GeV (gigaelektronivolttia), joka on teorian mukaan juuri sopiva oikea, Higgsin teorian mukaisen hiukkasen massa. Silti ne neljä muuta voivat olla kyllä olemassa ja löydettävissä kunhan tutkimus jatkuu.

Higgsin olemassa olo voi olla myös uuden hiukkasfysiikan alku, sillä tutkijat ovat teoretisoineet täysin uusista, supersymmetrisistä hiukkasista, jossa jokaisella meidän tuntemallamme alkeishiukkasella on olemassa supersymmetrinen hiukkanen. Supersymmetriset hiukkaset ovat kylläkin hieman erikoisia, sillä meidän tuntemien massan omaavien hiukkasten supersymmetriset hiukkaset olisivat massattomia ja päinvastoin.

Vaikka Maailmanlopun hiukkanen -kirja kertookin hiukkasfysiikasta Higgsin bosonin näkökulmasta, se kertoo myös paljon itse hiukkasfysiikasta. Jos et ole aikaisemmin tutustunut hiukkasfysiikkaan, suosittelen kirjan liitteiden lukemista kaikkein ensimmäiseksi. Tällöin saa jonkinlaisen kuvan siitä mistä hiukkasfysiikassa on kysymys. Kirja on sopivaa luettavaa vaikka kesäloman sateisille päiville. 

Kari A. Kuure.

Tuottaisiko antimateria antigravitaation?

Scifi-maailmassa antimateria ja antigravitaatio ovat ”vakio kamaa”, mutta reaalimaailmassa me vielä haparoimme aikatavalla arvausten varassa. Yksi mielenkiintoisimmista kysymyksistä on antigravitaatio. Voisiko sitä saada aikaan kokoamalla antiainetta riittävästi?

Kysymyksen kokeellinen todistaminen on ollut tavattoman vaikeaa johtuen lähinnä siitä, että antiaineen tuottaminen ei ole niitä kaikkein helpoimpia juttuja. Yksittäisiä antihiukkasia¹ kyllä syntyy mutta keveimmänkin aineen, antivedyn, rakentamisessa on valtavasti ongelmia ja siinä on onnistuttu vain hyvin vähäisessä määrässä. Tutkimuskäytössä antiainetta käytetään vuosittain 1–10 nanogrammaa.

Cernin sveitsiläinen ALPHA (Antihydrogen Laser Physics Apparatus) -tutkijaryhmä on kuitenkin tarttunut asian tutkimiseen tosimielessä. He pyrkivät tutkimaan sitä, kuinka normaali gravitaatio vaikuttaa kokeissa synnytettyihin antiainehiukkasiin. Tehtävää varten antihiukkasia pitäisi pystyä säilyttämään riittävän pitkään, jotta gravitaation vaikutukset tulisivat selvästi esille. Antihiukkasten pyydystäminen ja sulkeminen magneettiseen loukkuun onnistui muutama vuosi sitten ja nykyisin antihiukkasten säilyttäminen onnistuu jopa 1 000 sekunnin ajan. Loukussa on tyhjiö ja magneettikentät estävät antihiukkasia törmäämästä astian seinämiin.

Tutkijaryhmä sulki magneettiseen loukkuun kaikkiaan 434 antivety atomia. Tutkimuksessa vapautettiin atomit ja katsottiin niiden tuhoutumisen (annihilaatio²) fyysinen sijainti. Tuhoutumispaikkoja käsiteltiin tilastollisin menetelmin. Tulos oli, että antivetyatomit olivat hieman alle 110-kertaisesti herkempiä ja vähemmän kuin 65-kertaisesti epäherkempiä (joka merkitsisi antigravitaatiota) painovoimalle kuin tavallinen aine. Tulos on sen verran sekava, että sillä yksittäisenä kokeena tuloksesta ei pystytä sanomaan antigravitaatiosta yhtään mitään.

Jos kysymyksessä olisi pesäpallon massaiset hiukkaset, kokeen tulos olisi varmasti hyvin yksiselitteinen. Kyseessä oli kuitenkin kevein mahdollinen atomi (yksi protoni ja yksi elektroni), johon muut mahdollisesti vaikuttavat voimat peittävät gravitaation tai antigravitaation vaikutukset alleen, gravitaatio kun on muihin luonnon perusvoimiin verrattuna hyvin heikko voima.

---

[1] Antihiukkasilla ymmärretään tavallisten hiukkasten massaisia mutta sähkövaraukseltaan ja kvanttiluvuiltaan vastakkaisia hiukkasia. Esimerkiksi antiprotonin sähkövaraus on negatiivinen ja sen lisäksi baryoniluku (B) on vastakkainen (protoni B= 1 ja antiprotonilla B=–1). Elektroneilla ja positroneilla ero on vain sähkövarauksessa.

[2] Hiukkasten ja antihiukkasten kohdatessa ne tuhoavat toisensa täydellisesti. Tuloksena on vain energiaa sähkömagneettisen säteilyn muodossa. Tapahtumaa kutsutaan annihilaatioksi.