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.

Kiista Higgsin bosonin nimestä

LHC-kokeen simuloitu kuva kahden
protonisuihkun törmäyksestä,
jonka tuloksen syntyi Higgsin
hiukkanen. Kuva Wikimedia Common.

Joukko hiukkastutkijoita kokoontui maaliskuussa pohtimaan Higgsin bosonina tunnetun hiukkasen löytymistä CERNin LHC-kokeessa viime vuonna. Löytö on julistettu alustavasti oikeaksi 14. maaliskuuta 2013. Hiukkasen olemassa olo vahvistaa myös Higgsin kentän olemassa olon, johon puolestaan käytössä oleva ”Standardi malli” perustuu. Higsin kenttä selittää aineen massan.

Konferenssiin osallistui myös professori Peter Higgs. Professori Carl Hagen (Rochester University, New York) pitää hiukkasen nyt käytössä olevaa nimeä vääränä. Perusteena hiukkasen uudelleen nimeämiseen hän pitää sitä, että muutkin tutkijat kuin Peter Higgs ovat päätyneet riippumattomasti samanlaiseen lopputulokseen hiukkasen olemassa olosta.

Peter Higgs julkaisi teorian nyttemmin nimeään kantavan bosonin olemassa olosta jo vuonna 1964. Samoihin aikoihin myös tutkijat Francois Englert, Gerald Guralnik, Tom Kibble, Robert Brout ja Carl Hagen julkaisivat perustavaa laatua olevia tutkimustuloksia samasta teemasta. Näitä tutkijoita nyppii se, että vain Higgsiä pidetään teorian luojana, vaikka kunnia siitä pitäisi jakaa kaikkien aiheen parissa työskennelleiden kesken.

Nimikiistaan vaikuttaa myös se, että jossakin vaiheessa Higgsin bosonin löytymisestä jaetaan Nobel-palkinto. Nobel-säätiön sääntöjen mukaan palkinto voidaan jakaa enintään kolmen tutkijan kesken ja näiden tutkijoiden tulee olla elossa.  Tutkijoita on kuitenkin enemmän kuin kolme ja he kaikki ovat jo iäkkäitä, professori Brout on jo kuollut vuonna 2011.

Higsin hiukkasen uudeksi nimeksi voisi muodostaa tutkijoiden nimistä koottu BEHGHK, joka äännettaisiin ”Berk”. Tällainen nimeäminen olisi kuitenkin hyvin kömpelöä ja se tuskin tulee saamaan kovinkaan laajaa kannatusta. Carl Hagenin mielestä hiukkasta voitaisiin kutsua nimellä ”Standard Model Scalar Meson”, lyhyemmin ”SM Squared”.

Peter Higgs suhtautuu myönteisesti uudelleen nimeämiseen mutta ehdottaa nimeä ”H-bosoni”. Higgsin ehdotus on varteenotettava, sillä bosoneilla on etuudestaan vastaavia nimiä kuten heikon vuorovaikutuksen välittäjähiukkaset W- ja Z-bosonit.