1. yle.fi
  2. Uutiset
  3. hiukkasfysiikka

Oudosti vaappuvat myonit uhkaavat standardimallin 50 vuoden voittokulkua – sekoittaako tieteelle tuntematon hiukkanen hiukkasfysiikan lait?

Seuraavaksi pitää varmistaa, että mittaukset pitävät paikkansa. Sitten teoreetikot pääsevät pähkinän kimppuun.

hiukkasfysiikka
Tyhjiörinkula hiukkasten tutkimiseen
Myoni on varsin hankala tutkimuskohde, sillä se hajoaa mikrosekunneissa. Tässä tyhjiörinkulassa niitä pyöritetään kerralla niin montaa, että ominaisuuksia saadaan mitattua ennen kuin hiukkaset katoavat.Reidar Hahn / Fermilab

Tiistaina illalla Suomen aikaa Yhdysvalloista kantautui uutisia erikoisesti liikehtivistä alkeishiukkasista, myoneista, jotka eivät tuoreen tutkimustuloksen mukaan kunnioita standardimallia.

Hiukkaskiihdytinlaboratorio Fermilabin tutkijat mittasivat Muon G-2-kokeessa myonin magneettisia ominaisuuksia. Mittaukset antoivat eri tuloksen kuin oli ennustettu.

Jos tulokset osoittautuvat oikeiksi, saattavat uuden fysiikan ovet aueta, kun pääsemme kaivamaan entistä syvemmälle kiehtovien ja kapinallisten myonien maailmaan.

Hiukkasfysiikan standardimalli on yksi fysiikan vaikuttavimmista teorioista. 1970-luvun alussa kehitetty teoria kuvaa kaikkeuden rakennuspalikat: alkeishiukkaset ja niiden keskeiset vuorovaikutukset.

Vuosien vieriessä standardimalli ei suinkaan ole vanhentunut, sen uskottavuus on lähinnä vain vahvistunut.

Vuonna 2012 CERNin hiukkasfyysikot löysivät Higgsin bosonin. Seuraavana vuonna hiukkanen toi ennustajilleen Nobel-palkinnon.

Peter Higgsin nimeä kantavan hiukkasen olemassaolo oli aluksi vain teoria, joka selitti, miksi atomia pienemmillä kappaleilla on massa. Kun lopulta vuosikymmenien haravoinnin jälkeen se löytyi, sai standardimalli jälleen yhden palkinnon vitriiniinsä.

Tutkimuslaitteistoa
Alkeishiukkasten tutkiminen vaatii vaikuttavan näköistä laitteistoa. Kuvassa Fermilabin tutkija Paolo Girotti työssään.Reidar Hahn / Fermilab

CERNin suomalaisfyysikko Juska Pekkanen on ilahtunut siitä, että vallitsevaa teoriaa heilutetaan nyt hyvin valmistellulla ja tieteellisesti pätevällä kokeella.

Hiukkasfysiikan 50-vuotista pääteoriaa on haastettu jo aieminkin tänä keväänä. Maaliskuun lopussa Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskus CERNin kokeessa (siirryt toiseen palveluun) huomattiin myös myonien hämmentävää käyttäytymistä.

Myoneita syntyykin pohja-kvarkkien hajoamisissa eri määrä kuin standardimallin mukaan on ennustettu.

– Kahdelta eri taholta annetaan painetta teorialle, eli jotain sieltä pitäisi varmaan täydentää. Tai sitten luonnossa on olemassa uusia hiukkasia tai voimia, jotka tuottavat erilaisia tuloksia kuin teoreetikoiden laskut, Pekkanen sanoo.

Pekkasen mukaan kaikille fyysikoille on selvää, ettei standardimalli ole luonnon täydellinen kuvaus.

Epäsuoria todisteita sen puutteista ovat tieteen mysteerit, kuten pimeä energia, pimeä aine ja antiaineen puuttuminen maailmankaikkeudesta.

Nyt äärimmäisen tarkat mittaukset sekä CERNissä että Fermilabissa voisivat antaa ensimmäiset suorat todisteet mallin puutteista.

Tyhjiökammion kuljetusta yleisellä tiellä
Fermilabin kokeessa käytetään samaa tyhjiörengasta, joissa myoneiden erikoinen liikehdintä havaittiin jo 20 vuotta sitten Brookhavenissa. Vuonna 2013 valtava instrumentti kuljetettiin New Yorkista lähes tuhannen mailin päähän Chigacoon. Reidar Hahn / Fermilab

Mistä poikkeamat sitten johtuvat?

Kokeessa myoneita pyöritetään ympyrää donitsin muotoisessa tyhjiörinkulassa ja mitataan niiden vaappumista.

Vaikka tulokset sotivatkin standardimallia vastaan, ei havainto ollut järin yllättävä. Saman tyyppinen mittaus tehtiin jo noin 20 vuotta sitten Brookhavenissa (siirryt toiseen palveluun).

Uudet mittaukset ovat vahvistaneet jo silloin havaittua poikkeamaa. Mittauksia tullaan tekemään vielä useampia tällä vuosikymmenellä, jotta saadaan täydellinen varmuus siitä, että tulokset pitävät todella paikkansa.

Valitettavasti Muon G-2 onkin vain suuri – mutta tietenkin myös erittäin tärkeä – mittaus. Koe ei kerro syitä ilmiöön, vaan heittää pähkinät teoreetikoiden purtaviksi.

Pekkasen mukaan tutkimustulos voi kertoa neljästä eri vaihtoehdosta:

1) Tuntematon hiukkanen

Tutkijat itse arvelevat, että tulokset johtuisivat tieteelle aiemmin tuntemattoman alkeishiukkasen vaikutuksesta (siirryt toiseen palveluun).

– Tämä on kaikista mielenkiintoisin ja jännittävin vaihtoehto, jota minäkin henkilökohtaisesti toivon.

Laskut eivät siis vastaisi tarkkoja mittauksia sen takia, että teoreetikoiden hiukkaspaletista puuttuisi yksi työkalu.

Jos voitaisiin todistaa, että kaiken takana on uusi hiukkanen, olisi se lopun alkua vanhalle fysiikalle.

2) Virheet laskuissa

On myös hyvin mahdollista, ettei mitään uutta olekaan löydetty, vaan standardimallissa on laskuvirhe.

– Laskut, joita teoreetikot laskevat, ovat hyvin monimutkaisia. Niissä pitää ottaa huomioon kaikki kvanttimekaaniset ilmiöt, kuten kvanttikorjaukset.

Hadronikorjauksissa saattaa olla epätarkkuuksia, ja teoriaennustus voi olla pielessä. Ehkä tarkemmilla laskuilla ennusteet täsmäisivätkin kokeesta saatuun arvoon.

Samaa selitystä tarjosivat tiedejulkaisu Naturessa (siirryt toiseen palveluun) myös kilpailevan fyysikkoryhmän tutkijat tulosten julkaisun jälkeen.

3) Koejärjestelyn ongelmat

Kun ihmiset tekevät monimutkaisia kokeita, on myös mahdollisuus siihen, että jokin koejärjestelyssä saa aikaiseksi ilmiön.

Inhimillisten erheiden mahdollisuus painetaan toki minimiin, mutta niin pitkään kuin ihminen on kuvioissa, voi virheitä tapahtua.

– Tuloksia on nyt vahvistettu 20 vuoden jälkeen, mutta uusissakin kokeissa on kuitenkin käytetty osittain samaa koelaitetta kuin Brookhavenissa.

Tyhjiökammiossa voi olla jotain, joka aiheuttaisi ennusteista poikkeavan mittaustuloksen.

4) Sattuma

Sattumankauppa pysyy pelissä mukana niin pitkään, kunnes ilmiöt saadaan todistettua täysin varmoiksi.

Vuonna 2016 CERNissä havaittiin kahdessa toisistaan täysin erillisessä kokeessa odottamatonta törmäystapahtumien ylimäärää. Suurista toiveista huolimatta uutta hiukkasta ei löytynytkään. Kyse oli tilastollisesta sattumasta.

Nyt havainnolle on annettu kuitenkin huomattavasti korkeampi todennäköisyys: 4,2 sigmaa. Todennäköisyys satunnaiselle virheelle mittauksissa on noin yksi 40 000:sta.

– Vaikuttaa hyvin epätodennäköiseltä, että kyse olisi vain huonosta tuurista. Ikään kuin heitettäisiin kolikolla 15 klaavaa peräkkäin

Kun sigmoja saavutetaan viisi, voidaan löytöä pitää käytännössä varmana. Väärässä olemisen mahdollisuus on silloin yksi kolmesta miljoonasta.

Klaavoja pitäisi heittää 21 peräjälkeen, sitä sopii kokeilla kotona.

Viisi sigmaa tuli komeasti täyteen, kun Higgsin bosoni löydettiin vuonna 2012. Pekkanen oli paikalla.

Miten tästä eteenpäin?

Tulevan vuosikymmen aikana mittauksia tehdään lisää. Mittausten tekeminen ei missään nimessä ole kuitenkaan yksinkertaista.

Hiukkasfysiikassa tarvitaan usein paljon toistoja, jotta sattuman ja muiden tekijöiden vaikutus saadaan riisuttua pois tuloksista.

Myoni on ominaisuuksiltaan kuin elektronin isoveli. Myonilla on kuitenkin 200 kertaa enemmän massaa ja erittäin epävakaa luonne – se hajoaa muiksi hiukkasiksi keskimäärin kahdessa mikrosekunnissa.

Siksi ominaisuuksia mitataan kokeilla, joissa laitetaan suuri määrä myoneita pyörimään tyhjiörenkaaseen. Silloin riittävän moni ehtii pysyä koossa sen aikaa, että mittauksia saadaan tehtyä.

Fermilabin magneettirengas
Saavuttuaan Chigacoon Brookhavenin vanha magneettirengas veti yleisöä magneetin lailla puoleensa.Reidar Hahn / Fermilab

Hyväkäytöksisen pikkuveljen, elektronin vastaavat magneettiset ominaisuudet on mitattu äärimmäisen tarkasti, koska sitä voidaan rauhakseen tutkia tyhjiössä.

– Elektronin vastaavat magneettiset ominaisuudet on pystytty mittaamaan noin 14 desimaalin tarkkuudella. Se on ihmiskunnan historian tarkin tieteellinen tulos, Pekkanen kertoo.

Mutta vielä takaisin Muon G-2-kokeeseen: tutkimus osoittaa Pekkasen mukaan, ettei standardimalli kuvaa luonnon toimintaa täydellisesti, mutta mittaukset eivät oikein valota, että mikä puuttuva pala on.

Teoreetikot voivat jo nyt alkaa laskemaan, millainen uusi hiukkanen poikkeamia voisi aiheuttaa, samaan tapaan kuin Higgsin bosoni ennustettiin laskemalla.

Sitten sitä voi alkaa hiki hatussa Pekkasenkin työryhmä CERNissä etsimään.

Lisää aiheesta:

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

Miksi maailmankaikkeudessa on ainetta enemmän kuin antiainetta? Hiukkasfysiikan yksi suuri mysteeri

Lue seuraavaksi