Euroopan hiukkastutkimuslaitoksen Cernin protonitörmäytyskokeissa etsitään jatkuvasti uutta tietoa maailmankaikkeuden rakenteesta ja synnystä tutkimalla sen pienimpiä hiukkasia. Nyt kansainvälinen tutkijaryhmä kertoo havainneensa todisteen kvasihiukkasesta, jota ei ole aiemmin havaittu suoraan.
Kun hiukkasia kuten protoneja törmäytetään toisiinsa, hiukkasten välillä välittyy joko hiukkasia tai kvasihiukkasia. Jälkimmäiset ovat vahvan vuorovaikutuksen välittäjähiukkasten eli gluonien yhdessä muodostamia tiloja – välittäjiä, joilla ei ole mitattavissa olevaa massaa. Gluonit pitävät kvarkit kiinni toisissaan, jolloin näistä voi muodostua protoneita, neutroneita ja muita hadroneita. Gluonit eivät koskaan esiinny vapaina hiukkasina, vaan ne ovat sidottuja hadroneihin.
Nyt pystyttiin havaitsemaan, että tällainen tutkijoiden Odderoniksi kutsuma, kolmesta gluonista muodostuva tila välittyi hiukkastörmäyksissä.
Hiukkasen ja antihiukkasen törmäys eroaa hiukkasen ja hiukkasen törmäyksestä
Protonin vuorovaikutus toisten protonien kanssa eroaa hieman sen vuorovaikutuksesta protonien antihiukkasten, antiprotonien, kanssa. Odderon löytyi, kun hyvin tarkasti verrattiin maailman voimakkaimmalla protonien hiukkaskiihdyttimellä LHC:llä tehtyjä protoni-protoni-törmäyksiä ja LHC:n edeltäjällä Tevatronilla tehtyjä protoni-antiprotoni-törmäyksiä.
Usein protonien törmäysten yhteydessä välittyy kahden gluonin tila, Pomeron, eikä harvinaisempi kolmen gluonin tila. Vahvan vuorovaikutuksen kvanttiteoria, kvanttiväridynamiikka, ennustaa sekä Pomeronin että Odderonin olemassa oloa.
Teoria ennustaa näiden kvasihiukkasten eroavan toisistaan siten, ettei Pomeron erottele hiukkasia ja antihiukkasia mutta Odderon erottelee.
Tutkijat mittasivat törmäyksistä ulostulevia protoneita ja antiprotoneita hyvin pienillä sirontakulmilla.
– Pomeronin vaihto dominoi laajalti. Siksi Odderonin vaihtoa voidaan havaita protoni-protoni ja protoni-antiprotoni-törmäyksien todennäköisyyden erona sellaisilla sirontakulmilla, jossa Pomeronin vaihto on vahvasti vaimennettu, kertoo alkeishiukkasfysiikan professori Kenneth Österberg Helsingin yliopistosta.
Österberg koordinoi fysiikan analyysejä Cernin TOTEM-kokeessa, joka julkaisi tämän uuden havainnon vastikään yhdessä Fermi National Laboratorion D0-kokeen kanssa tekemässään yhteisartikkelissa. CERNin sisällä referoitu artikkeli odottaa vielä julkaisua.
Seuraavaksi jäljitetään liimapalloa
Vaikka hiukkasfysiikan standardimallin vahvan vuorovaikutuksen teoria ennustaa Odderonin, niin selkeitä viitteitä sen olemassaolosta havaittiin vasta kaksi vuotta sitten, jolloin jo ennustettiin Odderonin löytyneen. Silloin löydös jäi kuitenkin vielä teorian ennusteen tasolle odottamaan vahvistusta.
– On todella kiehtovaa havaita, että tämä kolmesta hyvin vahvasti vuorovaikuttavasta gluonista koostuva kvasihiukkanen pystyy välittymään kahden protonin välillä vuorovaikuttamatta näiden rakenneosien kanssa, vaikka valtaosa protonitörmäyksistä on juuri protoneitten rakenneosien, kvarkkien ja gluonien, vuorovaikutuksia, sanoo Österberg.
– Seuraavaksi etsimme vahvan vuorovaikutuksen teorian ennustamien ja pelkästään gluoneista koostuvien hiukkasten, niin kutsuttujen liimapallojen, tuottoa LHC:n protonitörmäyksissä. Hiukkasfysiikan standardimalli sisältää vielä monta havaitsematonta ennustetta, Österberg toteaa.
Protonien törmäytykset tehtiin 27 kilometriä pitkässä maanalaisessa LHC-tunnelissa Cernissä. Protonien ja antiprotonien törmäytykset tehtiin puolestaan Tevatron-kiihdyttimellä Fermilabissa Yhdysvalloissa. Tevatronin mittaukset oli tehty jo 90- ja 00-luvuilla, ennen Tevatronin sulkemista 2011.
Suomen osuutta TOTEM-kokeessa koordinoi Fysiikan tutkimuslaitos, joka on Helsingin yliopiston matemaattis-luonnontieteen tiedekunnan alainen kansallinen erillislaitos. Fysiikan tutkimuslaitoksen jäsenyliopistoja ovat Helsingin yliopiston lisäksi Aalto-yliopisto, Jyväskylän yliopisto, LUT-yliopisto ja Tampereen yliopisto.
Lisätietoa
- Cernin TOTEM-kokeen ja Fermi National Laboratorion D0-kokeen yhteisartikkeli
- Cernin tiedote: TOTEM and DØ collaborations announce odderon discovery
Alkeishiukkasfysiikan professori Kenneth Österberg
Helsingin yliopisto
050 522 5166
kenneth.osterberg@helsinki.fi