Maailma on tehty äärettömän pienistä alkeishiukkasista. Niitä on mahdoton paikallistaa, mutta niitä metsästetään yhtä kaikki. Uudella vuosituhannella kiihkeimmän etsinnän kohteena on ollut aineen rakennusaineiden puuttuva linkki – Higgsin hiukkanen, "yksi hiukkasmaailman kummallisimmista vipeltäjistä".

Aineen perimmäisiksi osasiksi ajateltiin jo antiikissa atomit. 1910-luvulla keksittiin atomin koostuvan ytimestä ja sitä ympäröivästä elektroniverhosta. Muutamia vuosikymmeniä myöhemmin selvisi, että ydinkin koostuu kiivaassa liikkeessä olevista protoneista ja neutroneista, joita sitoo keskenään ydinvoima. Elektroneja puolestaan pitää ytimen ympärillä sähkömagneettinen voima.

Oheisessa Tiesitkö tämän- ohjelmassa vuodelta 1984 kerrotaan hiukkasfysiikan tuohonastisista löydöistä. 1960- ja 1970-luvuilla kehitettiin teoria, jonka mukaan protonit ja neutronit koostuvat alkeishiukkasista, joita kutsutaan kvarkeiksi. Yhdessä jakamattomien leptonien (esim. elektronit) kanssa ne toimivat siis maailman materiaalisina peruspalikoina.

Näkyvä aine koostui ”Ylös”- ja ”Alas”-kvarkeista, mutta laboratoriossa oli 1980-luvulle tultaessa onnistuttu tuottamaan myös neljä muuta kvarkkia. Niille oli annettu leikilliset nimet ”Outo”, ”Lumo”, ”Totuus” ja ”Kauneus”. Alkeishiukkasten tärkein tutkimuslaitos oli Sveitsissä sijaitseva Cernin hiukkaskiihdytin, seitsemän kilometrin pituinen renkaanmuotinen tunneli kuplakammioineen.

Vaikka kvarkkeja ei oltu kovasta yrittämisestä huolimatta nähty, niiden olemassaolo voitiin päätellä. Tutkimus tapahtui epäsuorin menetelmin, hiukkasten kuplakammionesteeseen jättämien jälkien avulla.

Vuonna 1981 tehdyssä Prisma-ohjelmassa selitetään tarkemmin hiukkaskiihdyttimen toimintaa ja kuplakammiotutkimuksia. Ohjelmassa kuullaan myös perusteluja hiukkasfysiikan kaltaiselle tutkimustoiminnalle, jonka välitön hyöty ei ole kovinkaan pikaisessa näköpiirissä.

2000-luvulla alkeishiukkastutkimuksen suurin innostus kohdistui brittifyysikko Peter Higgsin 1960-luvulla ”keksimään” hiukkaseen. Kaikki muut teoreettisesti ennustetut alkeishiukkaset oli siihen mennessä pystytty havaitsemaan ja mittaamaan.

Higgsin hiukkanen on bosoni, välittäjähiukkanen, jonka on arveltu täyttävän maailmankaikkeuden. Se on aineen perusrakenteen kannalta huipputärkeä, koska hiukkasen ja siihen liittyvän ”Higgsin kentän” oletetaan antavan materiaalihiukkasille massan.

Higgsin hiukkasta tutkitaan myös Suomessa valmistetuin laittein. Prisman reportaasi vuodelta 2008 kertoo Cernin valmistumassa olevasta LHC-laitteesta (Large Hydron Collider), jolla hiukkasta oli määrä jäljittää. Tämä 27 kilometrin mittainen kiihdytin oli maailman suurin tutkimuslaite.

Higgsin hiukkanen itsessään on niin lyhytikäinen, että sen rekisteröiminen on mahdotonta. Törmäyttämällä hiukkasia toisiinsa niiden rakenne voidaan kuitenkin päätellä törmäysvauhdista ja kolarin seurauksena syntyvistä hajoamishiukkasista. Hiukkasten energia voidaan mitata niiden radan kaarevuudesta magneettikentässä.

Vuonna 2010 julkaistiin ensimmäinen uutinen, jonka mukaan Higgsin hiukkasesta oli löydetty merkkejä. Tapahtumaa kuvattiin hiukkasfysiikan merkittävimmäksi löydöksi 60 vuoteen.

Fyysikko Kari Enqvistin haastattelussa vuodelta 1999 pohditaan hiukkasfysiikkaa filosofiselta kannalta. Enqvistin mukaan aine käy meille sitä kummallisemmaksi, mitä enemmän opimme siitä. Kvanttifysiikan säännöt ovat arkiajattelumme kannalta paradoksaalisia: alkeishiukkanen voi olla monessa paikassa yhtaikaa.

Alkeishiukkasten maailma koostuu käsittämättömän pienistä objekteista ja siinä tapahtuu sekunnissa valtava määrä asioita. Fysiikka etsii vastausta siihen, miten tästä maailmasta nousee meille tutumpi kivien, kasvien, tuolien, ajatusten ja tunteiden maailma.

Teksti: Jukka Lindfors