Hyppää sisältöön

Kvarkkien outo käytös sai hiukkasfysiikan tutkijat ymmälleen – onko kyseessä sattuma vai virkistävä poikkeama luonnonlaeissa?

CERNin tutkijat ovat törmänneet ilmiöön, joka saattaa varmistuessaan johtaa maailmankaikkeuden rakennuspalikoiden uudelleenarviointiin.

LHCb-kokeeseen osallistuvia tutkijoita Genevessä CERNissä. Kuva vuodelta 2010. Kuva: Salvatore Di Nolfi / EPA

Hiukkasfysiikka on tavallisen ihmisen järjelle vaikeaa ymmärtää, mutta nyt raapivat alan tutkijatkin päätään.

Mikäli Genevessä sijaitsevan hiukkasfysiikan tutkimuskeskuksen CERNin LHC-hiukkaskiihdyttimen (Large Hadron Collider) outo tutkimustulos pitää paikkansa, saattaa tuloksena olla tuntemiemme luonnonlakien uudelleenjärjestelyä.

LHC:ssa lähes valon nopeudella kiitäviä hiukkasia törmäytetään toisiinsa 27 kilometriä pitkässä ympyränmuotoisessa putkessa ja tuloksena on uusia liike-energiasta materialisoituvia alkeishiukkasia.

Niin kutsutut pohjakvarkit eivät LHC:ssa tehtyjen kokeiden perusteella (siirryt toiseen palveluun) käyttäytyneet kuten niiden hiukkasfysiikan standardimallin perusteella pitäisi. Kadunmiehelle tämä ei sano mitään, mutta joidenkin Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskuksessa CERNissä työskentelevien fyysikoiden kerrottiin tärisseen innostuksesta.

Uusi hiukkanen tai voima löytyi?

LHC-törmäyttimen yksi tehtävä on testata hiukkasfysiikan standardimallia, joka on muotoiltu 1970-luvun puolivälissä. Malli pyrkii selittämään kaikki maailmankaikkeuden hiukkaset, jotka eivät enää jakaannu muihin hiukkasiin sekä niiden aiheuttamat voimat.

Tieteilijät eivät ole läheskään tyytyväisiä malliin, joka kuitenkin auttavasti selittää maailmankaikkeuden pienimpien hitusten käyttäytymistä. Yksi standardimallin voitoista oli sen ennustaman ns. Higgsin hiukkasen löytyminen vuonna 2012.

Nykykäsityksen mukaan kaikkein pienimpiä aineen osia ovat kvarkit ja leptonit. Kvarkeista rakentuvat mm. atomin ytimessä sijaitsevat protonit ja neutronit. Atomin kolmas rakenneosa on elektroni, joka kuuluu leptoneihin. Kvarkit ja leptonit ymmärretään jakamattomiksi aineen perusosasiksi, mutta nekin voivat vielä muuntua toisiksi kvarkeiksi tai leptoneiksi.

Standardimallin mukaan kvarkkien tulisi kiihdytinkokeissa hajota leptoneihin kuuluviksi elektroneiksi ja muuten identtisiksi mutta suurimassaisemmiksi myoneiksi yhtä usein. Jo vuosia käynnissä olleessa Large Hadron Collider beauty (LHCb) -kokeessa on kuitenkin nyt tultu siihen tulokseen, että pohjakvarkkien hajotessa elektroneja syntyy paljon myoneja enemmän. Tämä tulos sotii jyrkästi standardimallia vastaan.

Mikäli testitulos ei paljastu kokeissa tehdyn virheen tai oudon sattuman aiheuttamaksi, voi se tietää se sitä, että on löydetty uusi hiukkanen tai voima, jota nykyfysiikka ei vielä tunne. Voi tietysti olla, että standardimalli ei vain kuvaa luonnon toimintaa täydellisesti.

Tiedettä edistävä virkistävä poikkeama

LHCb-kokeessa mukana ollut fyysikko Chris Parkes totesi Live Science -sivuston mukaan, että virheen mahdollisuus on yksi tuhannesta. Jotta koetulos voitaisiin lopullisesti vahvistaa, virhemahdollisuuden tulisi olla yksi miljoonasta. Lisäksi tarvitaan tiedeyhteisön vertaisarviointia.

Maailmalla on muitakin tutkimusryhmiä, joiden kokeissa on havaittu pohjakvarkkeihin liittyviä poikkeamia, joten CERNissä ollaan varovaisen toiveikkaita uudesta löydöksestä. Ensi vuonna LHCb saa käyttöön uudistetun ilmaisimen, jonka avulla voidaan tehdä vieläkin tarkempia havaintoja.

Kuten aina tieteessä, teoriasta poikkeavat havainnot ovat omiaan nostamaan kulmakarvoja ja aukomaan uria uudenlaiselle ajattelulle. LHCb:n löydökset voivat parhaimmillaan venyttää hiukkasfysiikan standardimallin rajoja tai johtaa aivan uudenlaiseen fysiikkaan.

Mitä sitten on vielä selvittämättä?

Hiukkasfysiikan standardimalliin ei ole pystytty yhdistämään painovoimaa, sillä sen otaksuttu välittäjähiukkanen gravitoni on vielä löytämättä - tai sitten sitä ei olekaan.

Ratkaisematta on myös arvoitus, miksi maailmankaikkeudessa on niin paljon enemmän ainetta kuin antiainetta.

Kaiken kukkuraksi 95 prosenttia maailmankaikkeuden koostumuksesta on hämärän peitossa, sillä näkyvän aineen osuudeksi on laskettu vain viitisen prosenttia. Loput ovat pimeää ainetta ja pimeää energiaa, joiden alkuperästä emme tiedä vielä mitään.

Juttua on korjattu 27.3. klo 19.55: Törmäyttimessä ei synny välttämättä aina massaltaan kevyempiä hiukkasia. Faktalaatikossa on korjattu bosoneihin liittyvä kohta.

Lue myös:

.
.