Salaperäisen Higgsin bosonin metsästys alkaa ensi vuonna Euroopan hiukkastutkimuskeskuksessa CERNissä Geneven lähellä. Keväällä valmistuva suuri hadronitörmäytin LHC antaa alkeishiukkasten tutkijoille ensimmäisen kerran mahdollisuuden päästä sekunnin murto-osien päähän alkuräjähdyksen olosuhteista ja havaita aineelle massan antavia Higgsin bosoneita.
Löytyykö tutkijoita tähän asti pakoillut Higgsin hiukkanen uudella seitsemän teraelektronivoltin energiaan yltävällä huipputehokkaalla protoni-protoni -törmäyttimellä? CERNin päätutkija ja varapääjohtaja Jos Engelen on luottavainen.
-- LHC-törmäytin valmistuu ensi vuonna. Kokeiden ensimmäiset varmat tulokset saadaan vuosina 2009-2010. Riittävän monen toiston ja tarkistuksen tarve huomioiden uskon, että voimme todistaa Higgsin bosonin olemassaolon vuonna 2010, sanoi Engelen CERNin tutkimuskeskuksessa Geneven lähellä. Teoreettiset laskelmat ennakoivat, että Higgsin hiukkasen massa olisi yli 120 protonin massaa.
Alkeishiukkasten tutkimus CERNissä on puhdasta fysiikan perustutkimusta. Uuden törmäyttimen tavoitteena on antaa vastaus maailman hiukkasfyysikoita ja kosmologeja askarruttaviin aineen koostumuksen ja maailmankaikkeuden kehityksen peruskysymyksiin. LHC on valtava noin viisi miljardia euroa maksava kansainvälinen tieteen suurhanke. Sen toteuttaminen on mahdollista vain kansainvälisenä yhteistyönä.
-- LHC:llä tutkitaan massan syntyä, pimeän aineen olemusta, alkuplasmaa eli tilaa jossa aine oli kvarkki-gluoni-plasmana sekä materiaa ja antimateriaa, Engelen kertoi. LHC voi hänen mukaansa antaa tutkijoille uutta tietoa kaikista näistä asioista. Maailmankaikkeuden "puuttuvan massan" selvittämiseksi pimeän aineen olemuksen tunteminen on välttämätöntä.
LHC paljastaa kaikkeuden alle sekunnin ikäisenä
Uusi LHC-törmäytin on seitsemän kertaa tehokkaampi kuin Fermilabin Tevatron, joka suljetaan muutaman vuoden kuluessa. LHC:n törmäysenergia on niin suuri, että se auttaa tutkijoita selvittämään maailmankaikkeuden tilaa 10 potenssiin -12 sekuntia alkuräjähdyksen jälkeen.
Suurin osa aineen perusrakenteen ja maailmankaikkeuden ilmiöistä voidaan selittää hiukkasfysiikan standardimallilla. Merkittävimmät avoimet kysymykset ovat edelleen alkeishiukkasten massan alkuperä sekä luontoa mahdollisesti hallitsevan niin sanotun supersymmetrian havaitseminen.
-- Törmäyttimellä tehtävien kokeiden päätarkoitus on selvittää, mikä mekanismi aiheuttaa sähköisheikon vuorovaikutuksen spontaanin symmetrian rikkoutumisen ja määrää alkeishiukkasten massat. Suosituin vaihtoehto symmetriarikolle on Higgsin mekanismi, joka ilmene uusina hiukkasina eli Higgsin bosoneina, kertoi professori Jorma Tuominiemi CERNissä. Supersymmetrian pitäisi myös näkyä uusina hiukkasina, jotka LHC:n avulla pystytään tuottamaan.
Tuominiemi on yksi noin 80 suomalaisesta huippututkijasta, jotka osallistuvat CERNin työhön. LHC-kokeisiin osallistuu tutkijoita ja insinöörejä Fysiikan tutkimuslaitoksesta, Helsingin yliopistosta, Teknillisestä korkeakoulusta ja Lappeenrannan teknillisestä yliopistosta.
Superlaskentaan luodaan uusi Grid
LHC pystyy kiihdyttämään vety-ytimiä ja raskaita lyijy-ytimiä lähes valon nopeuteen. Lyijy-ytimillä päästään vaikuttavaan tuhannen teraelektronivoltin törmäysenergiaan. Protoni-protonitörmäyksiä mittaamaan rakennetaan valtavat CMS- ja ATLAS-tutkimuslaitteistot, joilla törmäyksissä syntyvät hiukkaset rekisteröidään. Raskaiden ytimien törmäysten tutkimiseksi rakennetaan ALICE-koe, johon suomalaiset tutkijat myös osallistuvat.
-- Tärkein tutkimuskohde ALICEssa on faasinmuutos hadroniaineesta kvarkki-gluoni-plasmaksi, aineen uuteen olomuotoon, jossa nukleonit ovat törmäysenergian aiheuttamassa korkeassa lämpötilassa sulaneet kvarkeiksi ja gluoneiksi. Maailmankaikkeuden ensi sekunnin murto-osien ajan se on ollut tällaisessa muodossa, totesi Tuominiemi.
Nykyisiin verrattuna kokeet tulevat olemaan äärimmäisen vaikeita. Kokeissa syntyy käsittämättömän paljon dataa. Sen käsittelemiseksi CERN, World Wide Webin kehittäjä, on rakentamassa maailmanlaajuista tutkijoiden teholaskentaverkkoa Gridiä. Se on välttämätön kokeissa vuodessa syntyvän noin 15 petatavun tietomäärän tallentamiseksi ja käsittelemiseksi. Verkossa on jo päästy gigabitin siirtonopeuteen sekunnissa. LHC:ssa kiihdytettävät hiukkaset ovat hyvin pieniä, joten kiihdytettävien protonien määrä on kymmenkertainen törmäysten määrään nähden. LHC:n protonisuihkun intensiteetti on kuitenkin niin suuri, että sekunnissa tapahtuu 40 miljoonaa protonien törmäystä. Teoreettisten laskelmien perusteella Higgsin bosoneita pitäisi Tuominiemen mukaan syntyä ehkä yksi tunnissa.