Higgsin bosoni

Wikipediasta
Siirry navigaatioon Siirry hakuun
Higgsin bosoni (alkeishiukkanen)
Simulaatio kahden protonin yhteentörmäyksestä, jossa syntyy Higgsin bosoni
Simulaatio kahden protonin yhteentörmäyksestä, jossa syntyy Higgsin bosoni
Symboli H0
Rakenne Alkeishiukkanen
Perhe Bosoni
Ryhmä Skalaaribosoni
Status Alustavasti varmistettu[1]
Löydetty teoreettisesti Robert Brout, François Englert ja Peter Higgs
(1964)[2]
Löydetty Vastaava bosoni löydetty 4. heinäkuuta 2012[1]
Massa 125,09 ± 0,24 GeV/c²[3][4]
Elinaika 1,56 × 10-22s (Standardimallin ennuste)
Hajoaa hiukkaseksi W- ja Z-bosonit, 2 fotonia
Sähkövaraus 0
Värivaraus 0
Spin 0

Higgsin bosoni eli Higgsin hiukkanen (H0) on alkeishiukkanen, jonka olemassaolon hiukkasfysiikan standardimalli ennustaa ja joka löydettiin[5] CERNin Suuressa hadronitörmäyttimessä (engl. Large Hadron Collider; LHC), Sveitsissä. Higgsin bosonia vastaavan bosonin löytämisestä raportoitiin 4. heinäkuuta 2012.[6] Massaksi saatiin 125–127 GeV/c², mitä tarkennettiin maaliskuussa 2015 arvoon 125,09 ± 0,24 GeV/c².[4]

Higgsin bosoni ja Higgsin kenttä on nimetty aihetta ensimmäisten joukossa teoreettisesti tutkineen englantilaisen fyysikon Peter Higgsin mukaan. Higgs on yksi ensimmäisiä joitakin bosonin ominaisuuksia ennustaneita fyysikoita. Hänen lisäkseen hiukkasen olemassaolon ennustivat lähes samanaikaisesti, toisistaan riippumatta Robert Brout ja François Englert.

Higgsin bosonin syntymistä ja hajoamista tarkasteltiin sen löytymistä seuraavina vuosina CERNin kokeissa. Kokeet todistivat eri hiukkasten W- ja Z-bosoneista tau-leptoniin saavan massansa vuorovaikutuksessa Higgsin kentän kanssa. Higgsin bosonin löytyminen vahvisti hiukkasfysiikan standardimallin ennustaman Higgsin kentän, joka antaa joillekin alkeishiukkasille massan. Tämä täydentäisi suuren puutteen standardimallissa eli selityksen hiukkasten massaeroille. Higgsin kenttä ei ole vuorovaikutuksessa massattomien hiukkasten kuten fotonien kanssa.[7]

Higgsin hiukkanen on bosoni eli alkeishiukkanen, jonka spin on kokonaisluku (0). Alkeishiukkasia ovat tavalliset ainehiukkaset eli fermionit, joiden spin on puoliluku (tai 3/2, 5/2 jne.), ja voimia välittävät bosonit, joiden spin on kokonaisluku (0, 1 tai 2). Bosoneja voi olla samanaikaisesti useampia samalla kvanttiluvulla. Sillä ei ole sähkövarausta tai värivarausta. Jos Higgsin kenttää ei olisi, alkeishiukkasten massalle täytyisi löytää vaihtoehtoinen selitys.[8]

Teoreettinen tausta

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Higgsin bosonin toivottiin antavan vastauksen kysymykseen, mikä antaa joillekin alkeishiukkasille, kuten elektronille, massan mutta toisille, kuten fotonille, taas ei. Teorian perustana pidetään kolmea vuonna 1964 Physical Review Letters -julkaisusarjassa julkaistua sähköheikon symmetrian spontaania rikkoutumista käsitellyttä artikkelia. Ne ovat François Englertin ja Robert Broutin ”Broken Symmetry and the Mass of Gauge Vector Mesons”[9], Peter Higgsin ”Broken Symmetries and the Masses of Gauge Bosons”[10] ja Gerald Guralnikin, Carl Rirchard Hagenin ja Tom Kibblen ”Global Conservation Laws and Massless Particles”[11].

1970-luvulla kehitetty hiukkasfysiikan standardimalli, joka selittää monia alkeishiukkasten välisiä vuorovaikutuksia menestyksekkäästi, ei kuitenkaan selitä alkeishiukkasten massaa vaan kuvaa kaikki hiukkaset massattomiksi. Tähän ongelmaan ratkaisuksi kehitettiin Higgsin teoria. Teorian mukaan kaikkeuden täyttää erityinen Higgsin kenttä, joka vaikuttaa erilaisiin hiukkasiin eri voimakkuudella ja joihinkin se ei vaikuta lainkaan. Mitä suurempi kentässä liikkuvien hiukkasten vuorovaikutus kentän kanssa on, sitä suurempi massa niillä havaitaan. Higgsin hiukkanen on Higgsin kentän värähtelyä eli eksitaatio, joka on mahdollista tuottaa tarpeeksi suurienergisissä törmäytyksissä. Higgsin hiukkanen ei siis sananmukaisesti anna massaa muille hiukkasille, kuten usein sanotaan, vaan se pikemminkin vain vahvistaa hypoteesin, että Higgsin kenttä on olemassa.[12]

Kaikki kentät, myös Higgsin kenttä, pyrkivät asettumaan mahdollisimman alhaiselle energiatasolle eli vakuumitilaan. Useilla kentillä, kuten sähkömagneettisella kentällä, se tapahtuu kentän arvon ollessa nolla. Higgsin kenttä kuitenkin poikkeaa siitä, sillä sen energiataso on alhaisin, kun kentän arvo poikkeaa nollasta. Tämän vuoksi Higgsin kenttä ei häviä, eli ei saa arvokseen nollaa vakuumitilassa. Ilmiötä nimitetään Higgsin mekanismiksi.[12]

Kokeellinen tutkimus

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]
 Tätä artikkelia tai sen osaa on pyydetty päivitettäväksi, koska sen sisältö on osin vanhentunut.
Voit auttaa Wikipediaa parantamalla artikkelia. Lisää tietoa saattaa olla keskustelusivulla.

Cernin edellisen vaiheen LEP-kiihdytin etsi Higgsin bosoneja vuosina 1989–2001. Kokeiden perusteella voitiin päätellä, että standardimallin mukaisen Higgsin bosonin massan on oltava vähintään 114 GeV/c². Standardimallia laajemmissa teorioissa massan alaraja voi olla tätä pienempi, esimerkiksi minimaalisessa supersymmetrisessä standardimallissa massan alaraja on noin 92 GeV/c² [13].

Myös Fermilabin Tevatron-kiihdyttimellä on etsitty Higgsin bosonia. Fermilabin kokeiden perusteella on voitu sulkea pois standardimallin Higgsin bosonin olemassaolo massavälillä 156–177 GeV/c².[14]

Cerniin rakennetun LHC-hiukkaskiihdytin koekäynnistettiin vuonna 2008. Joulukuussa 2011 tehdyt havainnot viittasivat siihen, että Higgsin bosoni oli mahdollisesti löydetty, joskaan sitä ei vielä varmuudella tunnistettu.[15]

Cernin LHC:n kahden suurimman koeaseman Atlaksen ja CMS:n tutkijat pitivät 4. heinäkuuta 2012 Higgsin hiukkasen etsintää käsittelevän yhteisen tiedotustilaisuuden. Molempien koeasemien edustajat kertoivat löytäneensä uuden hiukkasen noin 125 GeV/c²:n massan kohdalta. Hiukkanen sopi standardimallin ennustuksiin.

Tiedotustilaisuuden mukaan tieteelle ennalta tuntematon bosoni oli havaittu 5,0 σ:n varmuudella. Lisäksi voitiin varmuudella sanoa, että bosonin spin on nolla tai parillinen kokonaisluku. Näitä ominaisuuksia ilmentävä hiukkanen on yhteensopiva oletukseen standardimallin Higgsin hiukkasesta. Jotta löydetty uusi hiukkanen voitiin kiistattomasti osoittaa standardimallin Higgsin bosoniksi, tarvittiin vielä lisää tutkimusta, kuten spinin ja pariteetin mittauksia.[16][17]

Tiedotustilaisuudessa 14.3.2013 kerrottiin vuonna 2012 tehdyn uuden hiukkaslöydön olevan mitä todennäköisimmin Higgsin hiukkanen. Tosin tarvittiin vielä lisätutkimuksia siitä, oliko kyseessä oleva hiukkanen hiukkasfysiikan standardimallin ennustama Higgsin bosoni.[1] Higgsin bosoneita saattaa olla useita.[18] Toisaalta Higgsin bosonin on todettu hajoavan kahdeksi myoniksi, jotka ovat muita alkeishiukkasia kevyempiä. Tämän taas katsotaan todistavan, ettei useammanlaisia Higgsin bosoneita olekaan eikä massaeroja voikaan teorialla selittää.[19]

Atlaksen ja CMS:n tulosten perusteella Higgsin massaksi tarkentui 17. maaliskuuta 2015 julkaistun tiedotteen mukaan 125,09 GeV/c².[4]

Lähteet

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]
  1. ↑ a b c O'Luanaigh, Cian: New results indicate that new particle is a Higgs boson (lehdistötiedote) 14.3.2013. CERN. Viitattu 31.5.2013. (englanniksi)
  2. ↑ O'Luanaigh, Cian: CERN congratulates Englert and Higgs on Nobel in physics (lehdistötiedote) 4.7.2012. CERN. Viitattu 18.12.2013. (englanniksi)
  3. ↑ http://www.avaruus.fi/uutiset/kosmologia-ja-teoreettinen-fysiikka/higgsin-hiukkasen-massa-maaritettiin-ennatystarkasti.html
  4. ↑ a b c http://home.web.cern.ch/about/updates/2015/03/lhc-experiments-join-forces-zoom-higgs-boson
  5. ↑ Higgsin bosonin löytämisestä kymmenen vuotta | Helsingin yliopisto www.helsinki.fi. Viitattu 10.5.2023.
  6. ↑ Perkins, Ceri & Collins, Nick: Higgs boson: scientists 99.999% sure 'God Particle' has been found Telegraph. 4.7.2012. Viitattu 4.7.2012. (englanniksi)
  7. ↑ Higgsin bosonin löytämisestä kymmenen vuotta Helsingin yliopisto. 3.7.2022. Viitattu 25.11.2022.
  8. ↑ Korteila, Maria: Higgsin hiukkanen – muuttuuko maailmankuvamme? Tiede. 4.7.2012. Arkistoitu 21.1.2013. Viitattu 2.10.2012.
  9. ↑ Broken Symmetry and the Mass of Gauge Vector Mesons
  10. ↑ Broken Symmetries and the Masses of Gauge Bosons
  11. ↑ Global Conservation Laws and Massless Particles
  12. ↑ a b Puustinen, Maria & Ventilä, Oskari: Higgsin hiukkanen. Valkoinen kääpiö, 2008, nro 1, s. 13–14. Jyväskylän Sirius. Lehden verkkoversio. (pdf) Viitattu 31.8.2010.
  13. ↑ Particle Data Group: Gauge and Higgs bosons (pdf) pdg.lbl.gov. 2010. Viitattu 12.8.2011. (englanniksi)
  14. ↑ Tevatron New Phenomena & Higgs working group: Combined CDF and DØ Upper Limits on Standard-Model Higgs-Boson Production 7/2011. Fermilab. Viitattu 12.8.2011. (englanniksi)
  15. ↑ Kaivattu Higgsin hiukkanen "vilahti" jo havaintolaitteissa HS 13.12.2011.
  16. ↑ Higgs boson-like particle discovery claimed at LHC. BBC 4.7.2012.
  17. ↑ Cernin tutkijat: Higgsin hiukkasen löytyminen lähes varmaa. HS 4.7.2012.
  18. ↑ Physicists indicate existence of multiple Higgs bosons. Dartmouth Undergraduate Journal of Science 3023.
  19. ↑ Higgsin bosoni tuotti fyysikoille pettymyksen – ”Massiivinen” ongelma ei saanut ratkaisua Tekniikan Maailma. 10.6.2020. Otavamedia. Viitattu 25.11.2022.

Kirjallisuutta

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]
  • Carroll, Sean: Maailmanlopun hiukkanen: Miten Higgsin hiukkasen etsintä vie kohti uutta käsitystä maailmankaikkeudesta. (The Particle at the End of the Universe: How the Hunt for the Higgs Boson Leads Us to the Edge of a New World, 2012.) Suomentanut Tuukka Perhoniemi. Helsinki: Ursa, 2015. ISBN 978-952-5985-27-6

Aiheesta muualla

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]
Wikiuutisissa on aiheeseen liittyvä uutinen: Higgsin bosonin etsinnässä saavutettu läpimurto
Hiukkaset fysiikassa
Alkeishiukkaset
Hiukkasfysiikan standardimallin mukaan alkeishiukkasia ovat kvarkit, leptonit ja bosonit
Hiukkasfysiikan standardimallin mukaan alkeishiukkasia ovat kvarkit, leptonit ja bosonit
Fermionit
Kvarkit- ylöskvarkki (u)

- ylös-antikvarkki (u)
- alaskvarkki (d)
- alas-antikvarkki (d)
- lumokvarkki (c)
- lumo-antikvarkki (c)
- outokvarkki (s)
- outo-antikvarkki (s)
- huippukvarkki (t)
- huippu-antikvarkki (t)
- pohjakvarkki (b)

- pohja-antikvarkki (b)
Leptonite− · e+ · μ− · μ+ · τ− · τ+ · ve  · ve · vμ  · vμ · vτ  · vτ
Bosonit
Mittabosonitγ · g · W± · Z
SkalaaribosonitH0
Hypoteettiset
SuperpartneritAksiino · Chargiino · Fotiino · Gluiino · Gravitiino · Higgsiino · Neutraliino · Sfermionit
MuutA0 · Dilatoni · G · m · Majoroni · Takyoni · W'  · Z' · X · Y · Steriili neutriino · Preoni
Yhdistelmähiukkaset
Hadronit
BaryonitN (p · n) Δ · Λ · Σ · Ξ · Ω
Mesonitπ · ρ · η · η′ · φ · ω · J/ψ · ϒ · θ · K · B · D · T
MuutAtomi · Atomiydin · Dikvarkki · Eksoottinen atomi (Positronium · Myonium · Tauonium) · Molekyyli · Pentakvarkki · Tetrakvarkki
Hiukkaslöytöjen aikajana
Noudettu kohteesta ”https://fi.wikipedia.org/w/index.php?title=Higgsin_bosoni&oldid=22842162”