Vastaanota sähköpostiviestejä tulevista NOVA-ohjelmista ja niihin liittyvästä sisällöstä sekä ajankohtaisten tapahtumien raportoinnista tieteen näkökulmasta.
From The Large Hadron Collider: The Extraordinary Story of the Higgs Boson and Other Stuff That Will Blow Your Mind , sisäpiirin kertomus LHC:n toimintahistoriasta ja Higgsin bosonin etsinnästä, Don Lincoln. Julkaisija: Johns Hopkins University Press. Painettu uudelleen kustantajan luvalla.
Viktoriaanisen ajan matemaatikko Augustus de Morgan kirjoitti:
Suurilla kirppuilla on selässään pieniä kirppuja puremassa
Ja pienillä kirppuilla on pienempiä kirppuja, ja niin ad infinitum.
Ja suurilla kirppuilla itsellään on puolestaan vielä suurempia kirppuja, jotka purevat,
Ja näillä taas on vielä suurempia, ja vielä suurempia, ja niin edelleen.
Tämä usein siteerattu kohta on parodia Jonathan Swiftin vuonna 1733 ilmestyneestä teoksesta On Poetry: A Rhapsody , joka oli kirjoitettu runoudesta. Tiedemiehet ovat kuitenkin ottaneet nuo rivit metaforaksi luonnollisesta maailmasta. Kun tutustuu mikromaailmaan, joutuu nopeasti toteamaan, että kaikki aine koostuu molekyyleistä. Molekyylit puolestaan koostuvat atomeista, jotka puolestaan koostuvat elektroneista ja atomiytimistä. Ytimet koostuvat protoneista ja neutroneista, ja nämä muodostuvat kvarkkeista.
Tietojemme mukaan kvarkit ja elektronit ovat kuitenkin sitä. Siihen se loppuu mitä tulee rakenteeseen. Toisin kuin atomilla tai protonilla, joilla on rikas rakenne ja monimutkaisia vuorovaikutussuhteita niiden osien välillä, kvarkkien ja elektronien uskotaan tällä hetkellä olevan täysin vailla sisäistä rakennetta. Sekä teoreettisesti että fysikaalisesti niitä pidetään matemaattisina pisteinä.
Tietysti jokainen, jolla on hiukan mielikuvitusta, ei voi olla sanomatta: ”Hetkinen nyt. Miksei kvarkilla ja leptonilla itsellään voisi olla sisäistä rakennetta?”. No siihen on vain yksi mahdollinen vastaus ja se on ”ne voisivat”. Kvarkit ja elektronit (ja sitä kautta kaikki leptonit) voisivat koostua vielä pienemmistä kappaleista. Tai ne voivat (melko epätodennäköisesti) todellakin olla fundamentaalisia (eli niillä ei ole pienempiä osia, toisin sanoen ne ovat rakenteettomia).
Ennen kuin edetään pidemmälle, mietitäänpä kyseisiä kokoja. Mikromaailmassa kaikki on pientä. Yksittäinen molekyyli on niin pieni, että niitä voisi sijoittaa miljoona vierekkäin yhteen millimetriin. Ne ovat niin pieniä, ettei niitä voi tavallisella valolla nähdä. Ja silti tällaiset pienemmät kohteet ovat valtavan suuria: miljardi kertaa suurempia kuin tutkimusraja.
Molekyylit koostuvat atomeista, jotka ovat noin kymmenesosa molekyylien koosta. Henkinen kuva atomista pienenä aurinkokuntana, jossa aurinko on ytimenä ja planeetan elektronit, on virheellinen, mutta silti se ei ole vailla ansioita. Se korostaa sitä tosiasiaa, että atomi koostuu suurimmaksi osaksi tyhjästä tilasta, jossa elektronit pyörivät raivokkaasti kaukana pienestä, tiheästä ytimestä. Ytimen säde on noin 10 000 kertaa pienempi kuin atomin säde, ja se vie vain triljoonasosan tilavuudesta.
Atomin ydin koostuu protoneista ja neutroneista, jotka on pakattu tiiviisti yhteen. Mielikuvani ytimestä on massa sammakonmunia tai marmorikuulia sen jälkeen, kun sitä on käsitellyt taapero, jolla on hyvin tahmeat sormet. Kukin protoni tai neutroni on noin 10 -15 metriä leveä, ja tarvittaisiin triljoona peräkkäin aseteltua millimetriä yhden millimetrin levyiseksi. Se on pieni.
Protoneissa ja neutroneissa on kvarkkeja ja gluoneita. Yksinkertaisin tapa ajatella protonia on, että siinä on kaksi up-kvarkkia ja yksi down-kvarkki jumissa gluonien voimakentässä. Ajattele kolmea numeroitua muovipalloa sellaisessa ilmalla puhallettavassa lottokoneessa, niin ymmärrät perusajatuksen.
Mutta mielikuvassa kvarkista muovipallona on yksi suuri virhe. Pallot eivät ole paljon pienempiä kuin lottokone. Kvarkit ovat pieniä. Ehkä parempi mentaalinen kuva protonista on kolme pientä styroksin pilkettä samassa koneessa.
Mitä siis tiedämme kvarkkien koosta? Aikaisemmin sanoin, että niillä ei ole kokoa, ja niin varmasti nykyinen teoria käsittelee niitä. Kokeentekijänä olen kuitenkin enemmän huolissani mittauksista. Sinä, lukija, olet varmaan utelias siitä, mitä mittaukset ovat paljastaneet kvarkin koon olevan. Ja nyt vastaus… rummunpyöritys, kiitos… eivät ole. Tämä ei tarkoita, ettemme tietäisi mitään niiden koosta. Olemme tutkineet tätä kysymystä melko perusteellisesti, ja tiedämme tarkalleen, kuinka hyvät laitteemme ovat. Jos kvarkit (ja elektronit) olisivat suurempia kuin noin kymmenentuhatta kertaa protonia pienempiä, olisimme nähneet, että niillä on koko. Kaikissa kokeissamme emme ole koskaan nähneet pienintäkään uskottavaa vihjettä koosta. Päättelemme siis, että vaikka emme voikaan sanoa, mikä kvarkin tai elektronin koko todellisuudessa on, voimme varmuudella sanoa, että jos kvarkilla ylipäätään on kokoa, ne ovat pienempiä kuin yksi kymmenentuhannesosa protonin koosta.
Jos tätä ajatusta on vaikea ymmärtää, ajatellaanpa, kuinka pienen esineen voit nähdä silmilläsi. Näet helposti hiekanjyvän. Hyvin huomattavalla vaivalla voit ehkä nähdä pienimmänkin jauhonpalan kaapissasi. Mutta siihen se sitten jääkin. Paljain silmin et näe mitään pienempää. Kun siis päätät katsoa pöpöä silmälläsi, voisit päätellä, että sillä ei ole kokoa, mutta ehdottoman oikea johtopäätös, joka sinun pitäisi tehdä, on, että pöpöt ovat pienempiä kuin pienikin jauhonpilkku.
Paremmilla laitteilla, vaikkapa tehokkaalla mikroskoopilla, voi nähdä, että pöpöillä todella on mitattavissa oleva koko. Eli kun kerran olet törmännyt laitteesi rajoituksiin, sinun on yksinkertaisesti hankittava tehokkaampi mikroskooppi. Mikroskooppi, joka on LHC ja sen kaksi ensisijaista ilmaisinta, havaitsee kvarkkien koon, jos ne ovat vähintään 20 tai 30 tuhannesosaa protonin koosta … tai ne asettavat rajan, joka on noin kaksi tai kolme kertaa pienempi kuin tällä hetkellä ajatellaan.
Vaikka havainnot, intuitio ja de Morganin laulu voivat riittää tukemaan satunnaista epäilyä siitä, että aineen muut tasot voivat esiintyä yhä pienemmän kokoisina – aivan uusi kerros tai joukko kerroksia kosmisessa sipulissa – on olemassa myös tieteellisempiä syitä. Tarkastellaan esimerkiksi jaksollista järjestelmää. Vaikka Mendelejev aikoi pitää sitä järjestysjärjestelmänä, ydinatomiteorian ja kvanttimekaniikan kehittyessä 1900-luvun ensimmäisinä vuosikymmeninä kävi selväksi, että jaksollinen järjestelmä oli itse asiassa ensimmäinen osoitus atomin rakenteesta, puoli vuosisataa ennen kuin olimme todella ymmärtäneet taulukon sanoman.
Vaikka jaksollisen järjestelmän kertoma tarina viittasi selvästi atomin rakenteeseen, ydinsäteilyn tarina viittaa myös ytimen rakenteeseen. Esimerkiksi cesium ( 137 55 Cs, jossa on viisikymmentäviisi protonia ja kahdeksankymmentäkaksi neutronia) lähettää elektronin ja muuttuu bariumiksi ( 137 56 Ba, jossa on viisikymmentäkuusi protonia ja kahdeksankymmentäyksi neutronia).
Otetaan nämä historialliset esimerkit ja sovelletaan päättelyä nykymaailmaan. Ymmärrämme, että historialliset opetukset eivät aina päde. Mutta joskus ne pätevät.
Hiukkasten ”jaksollinen järjestelmämme” on esitetty yllä olevassa kuvassa. Sen järjestys eroaa kemiallisesta jaksollisesta järjestelmästä. Kuvassa on kuusi erilaista kvarkkia. Up-, charm- ja top-kvarkilla on kaikilla +⅔ varaus (systeemissä, jossa protonin varaus on +1), ja charm-kvarkin massa ylittää up-kvarkin massan, jonka puolestaan ylittää top-kvarkki. Vastaavasti down-, strange- ja bottom-kvarkilla on kaikilla sähkövaraus -⅓, ja niiden massa kasvaa oikealle päin mentäessä.
Nykyaikaisessa jaksollisessa järjestelmässä ”kemiallisesti samankaltaiset” yksiköt ovat rivejä, toisin kuin Mendelejevin taulukon sarakkeet. Näemme, että samasta kvarkki- ja leptonikuviosta on kolme ”sukupolvea” eli hiilikopiota. Tämä muistuttaa vahvasti niitä vihjeitä, joita kemiallinen jaksollinen järjestelmä antoi meille 1800-luvun jälkipuoliskolla.
On toinenkin historiallinen samankaltaisuus huomioitava. Aivan kuten eri atomiytimet voivat hajota toisiksi ytimiksi, niin myös kvarkit ja leptonit voivat hajota. Yläkvarkki voi hajota alakvarkiksi ja W-bosoniksi. Samoin myoni voi hajota elektroniksi ja kahdeksi neutriinoksi. Myös muuntyyppiset kvarkkien ja leptonien hajoamiset ovat mahdollisia. Itse asiassa kaikki toisen ja kolmannen sukupolven hiukkaset hajoavat lopulta ensimmäisen sukupolven hiukkasiksi. Yksi ratkaiseva vihje on se, että ainoa voima, joka voi muuttaa yhden kvarkin tai leptonin toiseksi (sanomme ”muuttaa kvarkin tai leptonin ’makua'”), on heikko voima. Lisäksi vain sähköisesti varautunut W-bosoni voi tehdä tämän työn.
Ei ole mitään kovaa näyttöä siitä, että kvarkki- ja leptonisukupolvien läsnäolo viittaisi siihen, että kvarkit ja leptonit itse koostuisivat pienemmistä (toistaiseksi löytämättömistä) hiukkasista. Historiallinen analogia on kuitenkin vahvasti viitteellinen ja ansaitsee varmasti tarkempaa huomiota. Se, että W-bosonia emittoimalla voidaan muuttaa kvarkin tai leptonin makua, on äärimmäisen arvokas vihje, joka huutaa fyysikoille jotain tärkeää.
Toivon vain, että minulla olisi järkeä ymmärtää mitä se sanoo.
Kuitenkin, vaikka meillä ei olisikaan ratkaisevaa oivallusta, joka murtaa arvoituksen auki, voimme spekuloida älykkäästi aiheesta ja (mikä on paljon tärkeämpää) seuloa tietomassojamme etsien lisää vihjeitä. Kuten kaikissa uusien fysikaalisten ilmiöiden etsinnöissä, on tehtävä valistunut arvaus siitä, mitä etsiä, ja sitten etsittävä sitä. Mitkä ovat siis kvarkkirakenteen todennäköiset kokeelliset merkit?
Historiallisesti yksi parhaista paikoista etsiä on ollut voimakkaimmat törmäykset. Murskataan kaksi esinettä yhteen ja katsotaan kuinka monta törmäystä on kullakin väkivaltatasolla. Erityisesti tarkastellaan ”sivuttaisväkivallan” määrää. Teknisesti kutsumme tätä transversaalimomentiksi , mikä tarkoittaa kohtisuoraa sädettä vastaan. Tähän valintaan on teknisiä syitä, mutta enimmäkseen se johtuu siitä, että johonkin on osuttava kovaa, jotta se siirtyisi alkuperäisestä suunnastaan sivuttain.
Nykyään useimmat fyysikot suhtautuvat ”odottelevasti” ja haluavat mieluummin nähdä, mitä vihjeitä maailmankaikkeus antaa meille. Siitä huolimatta näille kvarkkeja pienemmille objekteille on ehdotettu nimiä, joista suosituin on ”preon” (pre-quark). Jokainen teoriansa laatinut teoreettinen fyysikko on kuitenkin keksinyt oman nimensä: on ehdotettu subkvarkkeja, maoneja, alfoneja, kvinkkejä, rishoneja, tweedlejä, heloneja, haploneja ja Y-hiukkasia. Itse pidän jotenkin nimistä quinks tai tweedles.
Mikä on seuraava suuri löytö? Minulla ei ole aavistustakaan. Se voi hyvinkin olla jokin täällä mainituista aiheista. Tai, mikä vielä jännittävämpää, se voi olla jotakin täysin odottamatonta; jotakin, joka vain iskee meihin yllättäen. Kuten sanotaan, aika näyttää.