Havaintoja alkeishiukkasesta

Kaikki standardimallin hiukkaset on havaittu. Niistä vain kevyimmän luokan hiukkaset (ylös- ja alas-kvarkit, elektronit ja elektronin neutriinot) esiintyvät tavallisessa aineessa. Muut hiukkaset on täytynyt luoda kokeellisesti. Hiukkasia syntyy hiukkaskiihdyttimissä, kun kaksi hiukkasta törmäytetään toisiinsa suurella nopeudella. Tällöin liike-energia voi muuttua massaksi ekvivalenssiperiaatteen [[$E=mc^2$]] mukaan. Mitä suurempi liike-energia on, sitä suurempimassaisia hiukkasia voi syntyä.

On mahdollista, että riittävän suurella energialla syntyisi jokin hiukkanen, jota standardimalli ei sisällä. Tällöin saataisiin kokeellisia todisteita siitä, miten mallia pitää laajentaa. Nykyisistä hiukkaskiihdyttimistä suurimmat energiat saavutetaan LHC:ssä, joka on ympyränmuotoinen kiihdytin Ranskan ja Sveitsin rajalla. Tunnelin kokonaispituus on 27 km. Viimeinen standardimallista puuttunut hiukkanen, Higgsin hiukkanen, havaittiin juuri siellä. LHC:ssä ei ole toistaiseksi saatu viitteitä standardimallin ulkopuolisista hiukkasista ja on mahdollista, että sen tuottama energia ei ole riittävä. Suuremman kiihdyttimen rakentamista hankaloittaa epätietoisuus etsittävien hiukkasten massasta ja rakennettavan kiihdyttimen koosta. LHC:n otto tutkimuskäyttöön oli valtava projekti, joka kesti runsaat parikymmentä vuotta ja vaati miljardien eurojen resurssin. Entistä suuremman kiihdyttimen rakentamiseen tulee siten olla hyvät perusteet. Alkuvuodesta 2019 ilmestyi raportti, joka luonnostelee CERNiin uutta FCC-hiukkaskiihdytintä, jonka tunnelin pituus olisi 100 km. Alustava kustannusarvio on 21 mrd. euroa. Rakentamista suunnitellaan aloitettavaksi 2040-luvulla. Kuvassa on data, joka esittää hiukkasen löytymisen 120 ja 130 GeV:n väliltä. Tässä kohtaa mittauksen tuottama kuvaaja poikkeaa mallista, jossa hiukkasta ei esiinny.

The Future Circular Collider (CERN)

© CERN / Maximilien Brice

Hiukkaskiihdyttimessä ei havaita törmäyksessä syntyviä massiivisia hiukkasia suoraan, koska ne hajoavat hyvin nopeasti. Hiukkasen syntyminen päätellään hajoamistuotteista. Hiukkasen löytyminen perustuu tilastoanalyysiin, kun riittävällä varmuudella voidaan sanoa hiukkasen löytyvän mittaustuloksista. Havaintolaitteet tallentavat magneettikentässä liikkuvien törmäyksissä ja hajoamisissa syntyneiden hiukkasten radat. Ratojen muodosta voidaan päätellä esim. hiukkasten sähkövaraus sekä massa ja näin tunnistaa hajoamistuotteet. Ohessa on kuva törmäyksessä syntyneiden hiukkasten radoista. Törmäys on tapahtunut kuvan keskellä, missä on hetkellisesti syntynyt raskas hiukkanen. Vihreät ja keltaiset viivat ovat hajoamistuotteiden ratoja.

Kiihdyttimen toimiessa täydellä teholla tapahtuu n. 600 miljoonaa törmäystä sekunnissa, joten pelkästään tulosten analysointi on suuri haaste. Tietokoneet on ohjelmoitu analysoimaan mittaukset automaattisesti ja hylkäämään suurimman osan tuloksista ei-kiinnostavina. Vain kiinnostavat tapahtumat nostetaan tutkijoille käsiteltäviksi. Alla on kuva yhdestä LHC:n mittalaiteyksiköstä, CMS-laitteesta. Keskellä kulkeva putki on kanava, jota pitkin törmäytettävät protonit kulkevat. Putken ympärillä on mittalaitteisto, joka havainnoi törmäyksessä syntyviä hiukkasia. Sisintä mittalaitteistoa ollaan juuri vaihtamassa. Huomaa kuvan mittakaava, eli laitteiston koko suhteessa työskenteleviin insinööreihin.