Higgsin bosoni

Higgsin bosoni eli Higgsin hiukkanen (H0) on alkeishiukkanen, jonka olemassaolon hiukkasfysiikan standardimalli ennustaa ja joka löydettiin CERN:in Suuressa hadronitörmäyttimessä (), Sveitsissä. Higgsin bosonia vastaavan bosonin löytämisestä raportoitiin 4. heinäkuuta 2012. Massaksi saatiin 125–127 GeV/c², mitä tarkennettiin arvoon 125,09 ± 0,24 GeV/c² maaliskuussa 2015.

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 Francois Englert.

Higgsin bosoni todistaa Higgsin hiukkasista koostuvan Higgsin kentän, joka antaa joillekin alkeishiukkasille massan, olemassaolon. Tämä täydentäisi suuren puutteen standardimallissa eli selityksen hiukkasten massaeroille. Higgsin kenttä ei ole vuorovaikutuksessa massattomien hiukkasten kuten fotonien kanssa.

Hiukkasfysiikan standardimallissa Higgsin bosoni on bosoni eli alkeishiukkanen jonka spin on kokonaisluku (0). Bosoneja voi olla samanaikaisesti useampia samalla kvanttiluvulla. Sillä ei ole sähkövarausta tai värivarausta. Jos Higgsin kenttää ei olisi, alkeishiukkasten massalle täytyisi löytää vaihtoehtoinen selitys.

Teoreettinen tausta 
Higgsin bosonin toivotaan 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", Peter Higgsin "Broken Symmetries and the Masses of Gauge Bosons" ja Gerald Guralnikin, Carl Rirchard Hagenin ja Tom Kibblen "Global Conservation Laws and Massless Particles".

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 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.

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.

Kokeellinen tutkimus 

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 .

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

Mikäli Higgsin bosoni on olemassa, sen arvellaan löytyvän CERNiin rakennetulla LHC-hiukkaskiihdyttimellä, jota koekäynnistettiin vuonna 2008. Joulukuussa 2011 tehdyt havainnot viittasivat siihen, että se oli mahdollisesti löydetty, joskaan sitä ei vielä varmuudella tunnistettu.

Heinäkuun 4. 2012 CERNin LHC:n kahden suurimman koeaseman, Atlasin ja CMS:n tutkijat pitivät Higgsin hiukkasen etsintää käsittelevän yhteisen tiedotustilaisuuden. Molempien koeasemien edustajat kertoivat löytäneensä uuden hiukkasen noin 125 GeV/c²:n massan kohdalta. Hiukkanen sopii standardimallin ennustuksiin, mutta varmuutta sen luonteesta jouduttaneen odottamaan.

Tiedotustilaisuuden mukaan tieteelle ennalta tuntematon bosoni on havaittu 5.0σ:n varmuudella. Lisäksi voidaan varmuudella sanoa, että bosonin spin on nolla tai parillinen kokonaisluku. Näitä ominaisuuksia ilmentävä hiukkanen on yhteensopiva oletukseen standardimallin Higgsin hiukkasesta. Jotta löydetty uusi hiukkanen voitaisiin kiistattomasti osoittaa standardimallin Higgsin bosoniksi, tarvitaan vielä lisää tutkimusta, kuten spinin ja pariteetin mittauksia.

Tiedotustilaisuudessa 14.3.2013 kerrottiin vuonna 2012 tapahtuneen uuden hiukkaslöydön olevan mitä todennäköisimmin Higgsin hiukkanen. Tosin tarvitaan vielä lisätutkimuksia siitä, onko kyseessä oleva hiukkanen hiukkasfysiikan standardimallin ennustama Higgsin bosoni. Higgsin bosoneita saattaa olla useita. 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.

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

Lähteet

Kirjallisuutta

Aiheesta muualla 

Brout R. & Englert F.: Spontaneous Symmetry Breaking in Gauge Theories: a Historical Survey 
Ylen Elävä arkisto: Higgsin hiukkanen on alkeishiukkasjahdin himoituin saalis
Huhtanen, Jouni: Sinnikkyys palkitaan.  Kirja-arvostelu teoksesta Carroll, Sean: Maailmanlopun hiukkanen: Miten Higgsin hiukkasen etsintä vie kohti uutta käsitystä maailmankaikkeudesta. Ursa, 2015. (Agricolan kirja-arvostelut 27.4.2015)

Bosonit
Hiukkasfysiikan standardimalli
Seulonnan keskeiset artikkelit