|
Kristjan Kannike
4. juulil teatas Euroopa Tuumauuringute Keskuses (CERN) direktor Rolf-Dieter Heuer: “Ma arvan, et ta on meil käes!”
Avastuse tegi võimalikuks CERNis asuv maailma võimsaim elementaarosakeste kiirendi – suur hadronite põrgati (LHC).
Maa all 27 km pikkuses kiirendirõngas vastassuunas liikuvatele prootonikimpudele antakse ülisuur energia ja lastakse neil kindlates punktides põrkuda.
Põrgetes tekkivaid osakeste omadusi mõõdavad suured osakestedetektorid.
Prääksub nagu Higgs
Kui kaks suure energiaga osakest kokku põrkavad, võivad põrkes tekkivad osakesed olla kokku põrganud osakestest märksa raskemad.
See võimalus tuleneb Albert Einsteini kuulsast valemist E = mc2, mis seob massi ja energiat. Osakestefüüsikutel on mugavam mõõta massi energiaühikutes. Sobivad mõõtühikud on gigaelektronvolt (GeV) – miljard elektronvolti, ja teraelektronvolt (TeV) ehk 1000 GeV.
LHCs oli prootonite põrkeenergia eelmisel aastal 7 TeV, selle aasta alguses tõsteti seda energiale 8 TeV, et kiiremini andmeid koguda.
Pole veel täiesti kindel, kas nüüd avastatud osake on täpselt elementaarosakeste standardmudeli Higgsi boson, kuid nagu ütles CERNis eksperimentaator Oliver Buchmüller: kuna see “kõnnib nagu Higgs ja prääksub nagu Higgs, siis peame seda võimalust vähemalt kaaluma”.
Avastatud osakese massiks andis üks detektor 125,3 GeV, teine 126,5 GeV, mis on mõõtemääramatuste piires kooskõlas.
Mis roll Higgsi bosonil füüsikas on? Teoreetikute poolt 1970ndate alguses loodud elementaarosakeste standardmudel ennustas mitme uue osakese, ka Higgsi bosoni olemasolu.
Standardmudelis vahendab iga elementaarosakeste vahelist vastasmõju ja jõudu omaette osake. Elektromagnetilist külgetõmmet laengute vahel kannab üle valgusosake footon, nõrka vastasmõju Z- ja W-bosonid.
Vastasmõju tervet universumit täitva Higgsi väljaga annab massi Z- ja W-bosonitele, kvarkidele (millest muuseas koosnevad prootonid ja neutronid) ja leptonitele (nagu elektron).
Küllaltki rasked Z-boson ja W-boson avastati juba 1983. aastal ning nende eest sai 1984. aastal Nobeli preemia tollane CERNi peadirektor Carlo Rubbia.
Peab rõhutama, et teistele massi andmine ei tähenda seda, et Higgsi osake oleks otse seotud raskusjõuga. Higgs tekitab massi ja gravitatsioon mõjub sellele. Mõnda tüüpi osakestel saab massi olla ka teisel moel.
Peale teistele osakestele massi andmise on Higgsi osakesel mitte vähem tähtis roll: ta hoolitseb selle eest, et standardmudel oleks loogiliselt kooskõlaline.
Kui Higgsi boson puuduks, siis oleks suure energiaga osakeste põrgetel jõud, mida vahendavad Z ja W, nii tugevad, et põrke kõigi võimalike tulemuste tõenäosuste summa kasvaks suuremaks kui 1.
See oleks arulage, sest kõigist võimalustest peab realiseeruma üks ja midagi enamat tulla ei saa.
Higgsi osakese olemasolu oleks lihtsaim võimalus anda nii osakestele massid kui ka hoida kontrolli all muidu ülemäära suureks kasvavad jõud.
Nagu viskaks kulli ja kirja
Kuid füüsika on eksperimentaalteadus ja loomulikult tuleb kontrollida, kas ennustus on õige või annab osakestele massi ja talitseb jõudusid mõni keerulisem mehhanism.
LHC on töötanud juba mitu aastat, ja varemgi (viimati märtsi alguses) on esitatud uusi tulemusi võimaliku Higgsi osakese kohta. Kuid avastus kuulutati välja alles nüüd. Varem polnud kogutud küllalt andmeid, et öelda, kas tõesti on tegu uue osakesega.
Mida vähem on andmeid, seda suurem on võimalus, et müra võtab juhuslikult signaali kuju. Võib ju ka kulli ja kirja visates kull tulla mitu korda järjest isegi täiesti ausa mündiga.
Uue osakese avastuse tegemiseks esitatakse märksa rangemaid nõudmisi: sama tõenäosusega tuleb kull 21 korda järjest. Just sel tasemel signaali nägid 4. juuliks detektorid.
Uute osakeste otsimine põrketulemuste seast on nagu nõela otsimine heinakuhjast ning paras detektiivitöö. Tekkinud rasked osakesed lagunevad kohe ja otse näha neid ei saa. Igal põrkel tekkivast suurest osakeste hulgast otsitakse neid, mis võiksid tulla uue osakese lagunemisest.
Standardmudelist ennustatud Higgsi boson võib oma massist sõltuvalt meile juba tuntud osakesteks laguneda mitmel moel: kaheks footoniks, kaheks Z-bosoniks, kaheks b-kvargiks jne. Iga lagunemiskanal annab detektoris isesuguse signaali.
Kui Higgsi bosoni mass oleks ka füüsikateoreetikute endi määrata, oleks neil raske valida välja huvitavamat väärtust kui 125 GeV. Nimelt on just sellise massiga Higgsil enam-vähem võrdsed võimalused laguneda võimalikult mitmel moel. Nõnda saab tema omadusi kõige paremini uurida.
Standardmudelis on Higgsi bosoni vastasmõju teiste osakestega täpselt paigas. Kuna ta on seotud neile massi andmisega, siis mida raskem osake, seda tugevam on selle vastasmõju Higgsiga. Ainus tundmatu parameeter oligi Higgsi bosoni mass.
Praeguste tulemuste järgi laguneb Higgsi boson kaheks footoniks veidi rohkem, kui ennustatud standardmudelis, kaheks W-bosoniks aga jälle vähem. Samas on mõõtmisvead praegu veel nii suured, et need tulemused on kooskõlas standardmudeli Higgsiga.
Leidub veel uusi osakesi?
Võimalus, et avastatud osakese omadused on mõnevõrra erinevad standardmudeli Higgsi bosonist, oleks märksa huvitavam, viidates sellele, et peab olemas olema veel uusi osakesi, mis pole palju raskemad kui Higgs.
On võimalus, et Higgs polegi elementaarosake, vaid liitosake nagu prootonid ja neutronid, või et Higgsi boson on vaid üks mitmest samalaadsest osakesest, mida ennustab supersümmeetria. Vastuse annavad täpsemad mõõtmised.
Teaduses tuleb ette, et vaatlused ei lähe kokku olemasolevate teadmistega. Kui astronoom Le Verrier leidis, et planeet Uraani liikumine ei ole kooskõlas Newtoni seadustega, ei visanud ta neid välja, vaid ennustas, et on olemas seni avastamata planeet. Varsti leitigi Neptuun.
Ka osakestefüüsikas on mitmeid kordi juhtunud, et ennustustele on järgnenud avastused. Viimane neist on (võimalik)
Higgsi boson, mis pidi oma aega ootama mitukümmend aastat.
CERNi eksperimentidega on seotud ka Eesti teadlased KBFI kõrge energia laborist, mida juhib Martti Raidal. Eestlased ei otsi küll Higgsi bosonit, vaid teistes mudelites ennustatud osakesi. Võimalus midagi uut leida on olemas.
Mis on mis
Maalehe füüsikatund
Mis on standardmudel?
- Standardmudel võtab kokku füüsikute tänapäevased arusaamad elementaarosakestest ning looduses valitsevatest fundamentaaljõududest. See kirjeldab tugevat, nõrka ning elektromagnetilist jõudu, samuti elementaarosakesi kvarke ja leptoneid, millest koosneb aine.
- Standardmudelis on kolme tüüpi osakesi: aineosakesed, mõju ehk jõudu ülekandvad osakesed (sealhulgas Z- ja W-boson) ning Higgsi boson.
- Iga osakese jaoks on standardmudelis oma kvantväli, mille ergastus ongi osake.
- Praegu tuntud füüsikat kirjeldab standardmudel täielikult, kuid ta ei saa mitmel põhjusel olla lõplik teooria – näiteks pole seda õnnestunud siduda gravitatsiooniteooriaga.
Mis on Higgsi boson?
- Nende päevadeni hüpoteetiline elementaarosake, mida ennustas osakestefüüsika standardmudel.
- Osakese olemasolu ennustas ühe esimesena füüsik Peter Higgs juba 1964. aastal – möödunud nädalal oli ta CERNis kohapeal tunnistajaks oma ideede võimalikule kinnitamisele.
- Kogu ruumi täitev Higgsi väli on keskkond, mis annab massi aineosakestele ning Z- ja W-bosonile. Higgsi boson on selle välja ergastatud olek.
