Hiukkastutkijat löysivät kokonaisen uuden hiukkasperheen

Hiukkasfysiikan tutkijat ovat innoissaan! He ovat löytäneet kokonaisen uuden hiukkasperheen, joka ei sisälly ns. standardimalliin. Uusi hiukkasperheen hiukkaset koostuvat neljästä kvarkista (tetrakvarkki) ja näiden lisäksi on havaittu hiukkanen, joka koostuu viidestä kvarkista (pentakvarkki).

Standardimallin sisältämät alkeishiukkaset: kahdessa ylärivissä
on esitetty kvarkit, niiden alla neutriinot ja alimmaisena leptonit
joihin myös elektroni kuuluu.

Kvarkit ovat ydinhiukkasia (esimerkiksi protonit ja neutronit) muodostavia alkeishiukkasia. Niitä on kaikkiaan kuusi erilaista: ylös (up), alas (dawn), ylä (top), ala (bottom), outo (strange) ja lumo (charm). Yleisesti kuitenkin käytetään teksteissä muotoja (samassa järjestyksessä) u-, d-, t-, b-, s- ja c-kvarkit.

Kvarkit ovat sähkövarautuneita hiukkasia. Kvarkeilla u, c ja t on +2/3e varaus (e merkitsee elektronin sähkövarausta) ja kvarkeilla d, s ja b on varaus -1/3e. Näin ollen esimerkiksi protonin +1e varaus syntyy kvarkkien varausten yhteenlaskuna

2/3e+2/3e-1/3e =3/3e=1e

ja vastaavasti neutronin 0e varaus

-1/3e-1/3e+2/3e=0e.

Protonin kvarkkirakenne.
Kuva Arpad Horvath/Wikimedia Commons.

Jotta kvarkit voisivat muodostaa yhdessä massiivisempia (ydin)hiukkasia, niiden välillä täytyy vaikuttaa sitovia voimia. Voimia tunnetaan kaksi: vahva (väri)voima liimahiukkanen eli gluoni (värivoiman välittäjähiukkanen). Sana väri ei tässä yhteydessä merkitse värillisyyttä, vaan kvarkkien värivarausta. Kvarkeilla on sähkövarauksen lisäksi toinenkin varaus, jota siis kutsutaan värivaraukseksi tai lyhyemmin väriksi. Värejä on kolme: punainen, sininen ja vihreä, ja jokaisella kvarkilla ja gluonilla on aina jokin näistä värivarauksesta.

Kaikilla kvarkeilla on myös omat antihiukkasensa, joilla on vastaavat mutta vastakkaismerkkiset sähkö- ja värivaraukset. Eri värivaraukset vetävät toisiaan puoleensa samoin kuin eri sähkövaraukset. Saman värivarauksen omaavat kvarkit hylkivät toisiaan.  

Tuntemamme ainehiukkaset muodostuvat kahdesta tai kolmesta kvarkista, esimerkiksi protoni koostuu kahdesta u- (joilla on eri värivaraus) ja yhdestä d-kvarkista (eri värivaraus). Antihiukkaset puolestaan koostuvat anti-kvarkeista.

Edellä esitetystä huomaamme, että jo standardimalli muodostaa hyvin mielenkiintoisen hiukkasjärjestelmän. Tetra- ja penta-kvarkit ovat siis standardimallin ulkopuolinen hiukkasjärjestelmä, josta ensimmäiset viitteet on saatu vasta parin viime vuoden aikana.

Vuonna 2014 saatiin ensimmäiset viitteet tetrakvarkista CERNin hadronitörmäyttimellä (Large Hadron Collider) hiukkasilmaisimella LHCb tehdyissä kokeissa. Vuonna 2015 sitten saatiin ensimmäiset viitteet pentakvarkista.

Atlantin länsirannalla Fermilabissa (lähellä Chicagoa) havaittiin viitteitä tetrakvarkista tämän vuoden alussa. Havaintoon suhtauduttiin kuitenkin hieman skeptisesti kunnes Syracusen yliopiston tutkimusryhmä LHCb kokeen mittausten perusteella ilmoitti löytäneensä neljä erilaista tetrakvarkkia, jotka muodostivat saman perheen. Toistaiseksi uudet hiukkaset on nimetty vain luettelotunnuksin: X(4140), X(4274), X(4500) ja X(4700) niiden suhteellisen massan perusteella. Hiukkaset koostuvat kahdesta c- ja kahdesta s-kvarkista.

Havainnot ovat todella merkittäviä (Nobel?) ja hiukkasfyysikot joutuvatkin nyt luomaan uuden tai täydentämään standardimallia nyt havaittujen hiukkasten ymmärtämiseksi. Penta- ja tetrakvarkkien lisäksi LHC:lla tehdyt tutkimukset ovat antaneet viitteitä supersymmetristen hiukkasten olemassa olosta, joten uusi teoria tarvitaan mitä kipeimmin.

Fysiikan Nobel neutriinotutkijoille

Athur B. McDonald. 

Takaaki Kajita.

Tämän vuoden fysiikan Nobel-palkinto on myönnetty Takaaki Kajita’nille ja Arthur B. McDonald’ille. Palkinnon saajat olivat päätekijöitä tutkimuksissa joissa selviteltiin neutriinojen [1] muuttumista toisentyyppisiksi. Jotta muodonmuutos olisi mahdollista, neutriinoilla täytyy olla massa[2]. Tosin massan määrää ei vielä ole pystytty määrittämään mutta joitakin enimmäisarvioita niistä on.

Takaaki Kajita teki tutkimuksia japanilaisella Super-Kamiokande laitteistolla [3] ja havaitsi Auringosta tulevan kahdenlaisia neutriinoja. 

Samaan aikaan vuosituhannen vaihteessa kanadalainen Arthur B. McDonald pystyi osoittamaan neutriinojen säilyvän mutta muuttuvan toisiksi neutriinotyypeiksi matkallaan Auringosta Maahan. Ennen McDonaldin ja Kajitan työtä, tutkijoita ihmetytti ”puuttuvien neutriinojen ongelma”, sillä Auringosta näytti tulevan vain kolmas osa siitä neutronivuosta jota teorian mukaan piti sieltä tulla. McDonald pystyi osoittamaan, että neutriinoja ei suinkaan puutu, vaan ne muuttuvat toisiksi tyypeiksi, joita ilmaisimet eivät pystyneet havaitsemaan. McDonald työsketelee Sudbury Neutrino Observatoryssä [4].

Tutkijoiden työ oli ratkaisevassa asemassa selviteltäessä neutriinojen ominaisuuksia, sillä standardimalli ei ennustanut neutriinojen tyyppimuunnoksia. Päinvastoin, standardimallissa neutriinot olivat massattomia ja tämän tyyppiset alkeishiukkaset eivät voi vaihtaa tyyppiään[5].

Aiheesta voi lukea lisää julkaisusta

http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2015/advanced-physicsprize2015.pdf

Huomautukset

[1] neutriinot ovat standardimallin ennakoimia sähköisesti neutraaleja fermioneihin kuuluvia alkeishiukkasia, joiden spinluku on ½. Neutriinoa ei pidä sekoittaa neutroniin, joka koostuu (ei siis ole alkeishiukkanen) kolmesta kvarkista: 1u ja 2d-kvarkkia.

[2] Neutriinoja on maailmankaikkeudessa niin runsaasti, että massan kriittinen yläraja on noin 50 eV (elektronivolttia). Jos neutriinojen massa olisi tätä suurempi, maailmankaikkeus olisi romahtanut gravitaation vaikutuksesta. Uusimpien tutkimusten mukaan neutriinojen massat voivat olla enintään 0,2–2 eV. Kukin neutriinolaji on erimassainen.

[3] Super-Kamikande laitteisto perustuu neutriinojen aiheuttamaan Cerenkovin säteilyyn niiden kulkiessa suuren puhdasvesisäiliön läpi. Säiliön tilavuus on noin 50 m³ ja sen seinämillä on yli 11 000 valoilmaisinta, jotka havaitsevat syntyneen Cerenkovin säteilyn. Cerenkovin säteily syntyy, kun neutriino törmää vesimolekyyliin. Sen seurauksena molekyylistä irtoaa (vedessä) yli valonnopeudella etenevä elektroni, joka synnyttää varsinaisen valonpurkauksen.

[4] Sudbury Neutrino Observatory’n neutriinoilmaisin muistuttaa jonkin verran Super-Kaminkandea mutta siinä käytetään raskasta vettä (D₂O). Ilmaisimessa elektronin neutriinon törmäys raskasvesimolekyyliin tuottaa elektronin ja kaksi protonia. Jokainen kolmesta neutriinolajista (=neutriinojen maku: elektronin, taun ja myonin neutriinot) iskevät deuteriumista protonin ja neutronin pois. Ilmaisimilla voidaan määrittää tapahtumien lukumäärät ja niiden väliset suhteet kertovat kunkin neutriinolajin vuon. Raskaaseen veteen lisätty suola herkisti ilmaisinta kolminkertaiseksi erityisesti taun ja muyonin neutriinojen ilmaisussa ja näin uudet tutkimukset vahvistivat tuloksen.

[5] Auringossa tapahtuvat ydinfuusiot tuottaa elektronin neutriinoja. Maassa tehtyjen tutkimusten mukaan saapuvien elektronin neutriinojen määrä on vain 1/3 odotusarvosta. Arthur B. McDonaldin johtaman työn tuloksena pystyttiin siis osoittamaan, että elektronien maku muuttuu matkallaan Auringosta Maahan.