saatiin tulos, jonka ei hiukkasfysiikan vallitsevan mallin mukaan
pitäisi olla mahdollinen

Kun tietty kvarkki hajosi törmäyttimessä, syntyi odotettua vähemmän myoni-alkeishiukkasia. Jos tulos ei osoittaudu vääräksi, se viitoittaa hiukkasfysiikan tulevaisuutta.

Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskus Cernistä kuului viime viikolla kummia. Vuosikymmenen ajan valmisteltu koe tuotti odottamattoman tuloksen.

Mistä kyse?

Tässä kohden kannattaa kerrata lyhyesti, mistä on kysymys. Hiukkasfysiikan standardimalli on fysiikan teoria, joka kuvastaa maailmankaikkeuden kaikkein pienimpiä rakennuspalikoita, alkeishiukkasia.

Arkitodellisuuden kannalta edellä mainituista merkittävimpiä ovat elektronit, jotka ovat ylöskvarkkien ja alaskvarkkien ohella aineen atomien kolmas rakennuspalikka. ”Standardimalli kuvaa ilmeisen oikein alkeishiukkasfysiikkaa, mutta on todennäköisesti vain osa isompaa kokonaisuutta.”Kvarkkien ja leptonin lisäksi standardimallissa on voimia välittäviä hiukkasia eli bosoneita. Nyt saadun tuloksen kannalta bosonit ovat sivuroolissa.

Higgsin bosoni

Alkeishiukkasfysiikan standardimalli on teoreettinen, pitkälti laskemalla rakennettu teoria. Sitä on sittemmin testattu useilla eri kokeilla, joissa mallin ennusteiden on kerta toisensa jälkeen havaittu pitävän paikkansa. Tunnetuin esimerkki tästä oli muille hiukkasille massan antavan Higgsin bosonin löytäminen vuonna 2012, lähes puoli vuosisataa sen ennustamisen jälkeen.

Samaan aikaan standardimallissa on aukkoja. Se ei selitä painovoimaa eikä pimeää ainetta. Se ei myöskään selitä, mistä neutriinot saavat lähes olemattoman mutta silti havaittavissa olevan massansa. Helsingin yliopiston kokeellisen hiukkasfysiikan professori Kenneth Österberg vertaa standardimallia Isaac Newtonin kehittämään klassiseen mekaniikkaan.

– Newtonin mekaniikka kuvaa hyvin arjessamme kohtaamaamme fysikaalista maailmaa, mutta samalla se on vain osa suhteellisuusteorian kuvaamasta laajemmasta todellisuudesta. Myös standardimalli kuvaa ilmeisen oikein alkeishiukkasfysiikkaa mutta on silti todennäköisesti vain osa isompaa kokonaisuutta.

Pohjakvarkkeja Cernissä

Viime viikolla julkistetussa kokeessa tutkittiin kvarkeista toiseksi painavinta eli pohjakvarkkia.
Pohjakvarkkeja ei ole havaittu ympäristössämme, mutta niitä voidaan luoda törmäyttämällä hiukkasia valtavilla nopeuksilla Cernin 27 kilometrin pituisessa hiukkastörmäyttimessä.

Nyt tehdyssä tutkimuksessa tehtiin juuri näin, uudelleen ja uudelleen. Törmäyksessä luotu pohjakvarkki pysyy kasassa vain sekunnin biljoonasosan verran, minkä jälkeen se hajoaa. Yleensä tuloksena on lumokvarkki sekä elektroneja ja myoneja tai alkeishiukkasista koostuvia suurempia hiukkasia eli hadroneita.

Noin yhden kerran miljoonasta pohjakvarkki hajoaa kuitenkin outokvarkiksi sekä elektroneiksi tai myoneiksi. Ja juuri näissä äärimmäisen harvinaisissa hajoamisissa näyttäisi olleen jotain outoa.

Ristiriita standardimallin kanssa

Hiukkasfysiikan standardimallin mukaan leptonit ovat ominaisuuksiltaan identtisiä massaa lukuun ottamatta. Näin ollen pohjakvarkin hajoamisessa pitäisi syntyä elektroneja ja myoneja yhtä suurella todennäköisyydellä.

Nyt kuitenkin näyttäisi, että itse asiassa myoneja syntyi paljon elektroneja vähemmän. Tulos on ristiriidassa standardimallin kanssa. Kokeen rakentamiseen itsekin osallistunut Österberg pitää tulosta hyvin kiinnostavana. Samalla hän kuitenkin kehottaa panemaan jäitä hattuun.

– Kokeen tekijät pyrkivät tietenkin äärimmäiseen huolellisuuteen, mutta aina on mahdollista, että kokeiden analyysissa tai analyysin teoreettisessa lähtökohdassa on jokin tekijä, joka selittää tuloksen, Österberg kertoo.

Sattuman mahdollisuutta ei voida täysin sulkea pois. Todennäköisyys, että tällainen jakauma olisi syntynyt sattumalta oli yksi tuhannesta. Jotta havaintoa voisi pitää varmana, pitäisi suhdeluvuksi saada yksi miljoonasta. Mutta vaikka tulos olisi oikea, se ei vielä mullistaisi alkeishiukkasfysiikan maailmankuvaa.

– Sanoisin, että se laajentaisi standardimallia. Tai antaisi ainakin suuntaviivoja siitä, mihin suuntaa standardimallia pitäisi laajentaa.

Pitäisikö mallia korjata?

Tulosta on jo pyritty selittämään myös teoreettisesti. Österberg pitää mahdollisena teoriaa, jonka mukaan hajoamiseen vaikuttaa jokin meille tuntematon hiukkanen, joka on vuorovaikutuksessa hajoavan kvarkin kanssa niin, että myonien syntyminen muuttuu todennäköisemmäksi. Tällainen hiukkanen voisi olla tunnettuja kvarkkeja huomattavasti painavampi leptokvarkki, jolla olisi sekä kvarkin että leptonin ominaisuuksia.

Nykyinen malli ei tällaista hiukkasta ei salli. Näin ollen se tarkoittaisi, että mallia pitää korjata. On siis mahdollista, että nyt tehty koe avaa hiukkasfysiikkaan ihan uusia tutkimussuuntia. Minkäänlaista käytännön sovellusta tuloksella on vaikea nähdä. Kyse on sentään tapahtumasta, joka saatiin toteutumaan kerran miljoonasta hiukkasella, jonka elinaikaan verrattuna silmänräpäyskin on ikuisuus.

Lähde
Tiede ja teknologia/Aamulehti/ Juha Merimaa