Hiukkasfysiikka tutkii luontoa ja sen ilmmiöitä sen hetken pienimmällä tunnetulla tasolla, eli tutkitaan perushiukkasia sekä niiden vuorovaikutuksia. Tämänhetkisen käsityksen mukaan perushiukkasia onvat kvarkit ja leptonit. Hiukkasfysiikan teoria on tiivistetty hiukkasfysiikan standardimalliin joka. Hiukkasfysiikassa selvitetyt asiat vaikuttavat kaikkeen muuhunkin tieteeseen sillä kaikki mitä maailmassa on ja tapahtuu perustuu hiukkasfysiikan tutkimiin asioihin. [1]
Historia
Hiukkasfysiikan historia voidaan katsoa alkaneen 1900-luvulla, kun atomeja on alettu tarkastelemaan tarkemmin. Hiukkasfysiikan suuriksi löydöiksi lasketaan kaikkia suuria atomitason tai siitä pienempiä löytöjä esimerkiksi neutronin todistaminen 1932-luvulla. Nykyinen standardimalli ollaan luotu 1970-luvulla. Hiukkasfysiikka on syntynyt nykyajan rajoilla sillä aiaisemmin teknoologia ei
Positroni sumukammiossa
sen tutkimusta sallinut, mutta ennen hiukkaskiihdyttimiä voitiin tutkia alkeishiukkasten rakennetta käyttäen hyväksi ydinreaktiota sekä kosmista säteilyä.
Tutkimuslaitteet
Hiukkasia voidaan tutkia useilla erilaisilla laitteilla, näistä tunnetuimpina hiukkaskiihdyttimet. Ensimmäinen havainto on vuodelta 1896, jolloin Antoine Becquerel löysi ionisoivan säteilyn vahingossa valokuvauslevyllä. Charles Thomas Rees Wilson sen sijaan halusi tutkia säätä laboratoriossaan mutta vuoteen 1912 mennessä oli kehittänyt sumukammion, jolla pystyttiin havaitsemaan ionisoivia hiukkasia.[2][3] Hiukkaskiihdyttimistä ensimmäisinä tulivat 1930-luvun alussa lineaariset kiihdyttimet ja syklotronit joiden jälkeen 1950-luvulla synkrotronit, joihin tämänpäivän suurimmat kiihdyttimet, kuten CERNin LHC perustuvat. Synkrotonit kiihdyttävät hiukkasia hyödyntäen sähkövarausta, joten kiihdytettävillä hiukkasillakin on oltava varaus. Kiihdyttimet joko ampuvat suihkun hiukkasia päin kappaletta tai ampuvat kaksi hiukkas suihkua vastakkain jolloin ne törmäävät. Törmäys kohdassa on ilmaisin laitteita joilla voidaan kuvata törmäyksiä. Suurimmat ilmaisimet ovat kymmeniä metrejä halkaisijaltaan ja painavat yli kymmenen tuhatta tonnia.[4]
Perushiukkaset
Perushiukkaset ovat aineen rakenneosia, joita ei pysty jakamaan pienempiin. Nykykäsityksen mukaan perushiukkasia ovat leptonit ja kvarkit. Niitä on yhteensä kaksitoista, kuusi leptonia ja kuusi kvarkkia. Lisäksi perusvuorovaikutuksia välittää neljä välittäjähiukkasta: fotoni joka vastaa sähkömagneettisesta vuorovaikutuksesta ja vaikuttaa hiukkasiin sähkövaraus, gluoni joka vastaa vahvasta vuorovaikutuksesta
Alkeishiukkaset
ja vaikuttaa vaan kvarkeihin sekä W- ja Z bosoni jotka vastaavat heikosta vuorovaikutuksesta ja voivat vaikuuttaa kaikkiin hiukkasiin. Lisäksi on teorioita gravitonista, joka vastaisi painovoimasta, mutta sitä ei ole ainakaan vielä havaittu. Kvarkit ja Leptonit muodostavat yhdessä Fermioni nimisen ryhmän.[5][6]
Perusvuorovaikutukset
Perus voimia on nykykäsityksen mukaan neljä: painovoima eli gravitaatio, sähkömagneettinen voima, heikko voima ja vahva voima. Standardimalli ei selitä gravitaatiota. Vuorovaikutuksien luokittelu ja nimitykset perustuvat osaksi niiden suhteellisiin voimakkuuksiin. Jos vahvan vuorovaikutuksen voimakkuus on 1, niin sähkömagneettinen voima on 0.01, heikko vuorovaikutus 0.00001 ja gravitaatio vielä paljon heikompi.[7]
Standardimalli
Standardimalli on hiukkasfysiikan perusteoria jossa yhdistetään hiukkasfysiikka yhdeksi teoriaksi. Standardimalli käsittelee siis kaikki tunnetut alkeishiukkaset sekä niiden vuorovaikutukset. Malli ei kuitenkaan selitä gravitaatiota, mikä on yksi mallin ongelmista. Tätä tietoa käyttäen voidaan sanoa että tällä hetkellä tunnettu fysiikka on pienimmillään standardimalli ja siihen lisättynä gravitaatio.[8] Standardimallissa on omat ongelmansa kuten jo edellä mainittu standardimallin selityksistä puuttuva gravitaatio. Gravitaatiovuorovaikutuksen puute on yksi suurimmista ongelmista mutta mallin suurin ongelma on sen selitys neutriinoista. Standardimalli olettaa neutriinojen olevan massattomia mutta uusissa tutkimuksissa on todistettu neutriinojen värähtelevän mikä taas todistaa neutriinoen omaavan massaa vaikkakin se on erittäiin pieni on se maailmankaikkeuden massasta huomattava osio nykykäsityksen mukaan. Standardimallissa ei myöskään saada selitettyä miksi perushiukkasilla on vain kolme "perhettä" sekä nyky laitteistolla on mahdotonta tarkistaa pystyisikö leptoneita ja kvarkkeja pilkkoa vielä pienempiin osiin. Ulkopuolisille standardimallin suurin ongelma on sen valtava monimutkaisuus. Standardimalli ei myöskään ole valmis sillä ei ikinä tiedetä että voisiko löytyä uudemmalla teknologialla kymmenien vuosien päästä jotain vielä pienempää kuin nyt. Vaikkakin tälläisiä ongelmia standardimallissa löytyy on se tieteellisissä piireissä todettu sen tarkoitukseen toimivaksi teoriaksi ja siten toimii hiukkasfysiikkaan liittyvässä tutkinnassa pohjane esimerkiksi CERN:ssä tapahtuvat kokeet perustuvat standardimalliin.[9]
^ Lehto et al, Fysiikka 8: Aine ja Säteily, 2012, s.166-167
Esittely
Hiukkasfysiikka tutkii luontoa ja sen ilmmiöitä sen hetken pienimmällä tunnetulla tasolla, eli tutkitaan perushiukkasia sekä niiden vuorovaikutuksia. Tämänhetkisen käsityksen mukaan perushiukkasia onvat kvarkit ja leptonit. Hiukkasfysiikan teoria on tiivistetty hiukkasfysiikan standardimalliin joka. Hiukkasfysiikassa selvitetyt asiat vaikuttavat kaikkeen muuhunkin tieteeseen sillä kaikki mitä maailmassa on ja tapahtuu perustuu hiukkasfysiikan tutkimiin asioihin. [1]Historia
Hiukkasfysiikan historia voidaan katsoa alkaneen 1900-luvulla, kun atomeja on alettu tarkastelemaan tarkemmin. Hiukkasfysiikan suuriksi löydöiksi lasketaan kaikkia suuria atomitason tai siitä pienempiä löytöjä esimerkiksi neutronin todistaminen 1932-luvulla. Nykyinen standardimalli ollaan luotu 1970-luvulla. Hiukkasfysiikka on syntynyt nykyajan rajoilla sillä aiaisemmin teknoologia ei
Positroni sumukammiossa
sen tutkimusta sallinut, mutta ennen hiukkaskiihdyttimiä voitiin tutkia alkeishiukkasten rakennetta käyttäen hyväksi ydinreaktiota sekä kosmista säteilyä.Tutkimuslaitteet
Hiukkasia voidaan tutkia useilla erilaisilla laitteilla, näistä tunnetuimpina hiukkaskiihdyttimet.Ensimmäinen havainto on vuodelta 1896, jolloin Antoine Becquerel löysi ionisoivan säteilyn vahingossa valokuvauslevyllä. Charles Thomas Rees Wilson sen sijaan halusi tutkia säätä laboratoriossaan mutta vuoteen 1912 mennessä oli kehittänyt sumukammion, jolla pystyttiin havaitsemaan ionisoivia hiukkasia.[2] [3]
Hiukkaskiihdyttimistä ensimmäisinä tulivat 1930-luvun alussa lineaariset kiihdyttimet ja syklotronit joiden jälkeen 1950-luvulla synkrotronit, joihin tämänpäivän suurimmat kiihdyttimet, kuten CERNin LHC perustuvat. Synkrotonit kiihdyttävät hiukkasia hyödyntäen sähkövarausta, joten kiihdytettävillä hiukkasillakin on oltava varaus.
Kiihdyttimet joko ampuvat suihkun hiukkasia päin kappaletta tai ampuvat kaksi hiukkas suihkua vastakkain jolloin ne törmäävät. Törmäys kohdassa on ilmaisin laitteita joilla voidaan kuvata törmäyksiä. Suurimmat ilmaisimet ovat kymmeniä metrejä halkaisijaltaan ja painavat yli kymmenen tuhatta tonnia.[4]
Perushiukkaset
Perushiukkaset ovat aineen rakenneosia, joita ei pysty jakamaan pienempiin. Nykykäsityksen mukaan perushiukkasia ovat leptonit ja kvarkit. Niitä on yhteensä kaksitoista, kuusi leptonia ja kuusi kvarkkia. Lisäksi perusvuorovaikutuksia välittää neljä välittäjähiukkasta: fotoni joka vastaa sähkömagneettisesta vuorovaikutuksesta ja vaikuttaa hiukkasiin sähkövaraus, gluoni joka vastaa vahvasta vuorovaikutuksestaja vaikuttaa vaan kvarkeihin sekä W- ja Z bosoni jotka vastaavat heikosta vuorovaikutuksesta ja voivat vaikuuttaa kaikkiin hiukkasiin. Lisäksi on teorioita gravitonista, joka vastaisi painovoimasta, mutta sitä ei ole ainakaan vielä havaittu. Kvarkit ja Leptonit muodostavat yhdessä Fermioni nimisen ryhmän.[5] [6]
Perusvuorovaikutukset
Perus voimia on nykykäsityksen mukaan neljä: painovoima eli gravitaatio, sähkömagneettinen voima, heikko voima ja vahva voima. Standardimalli ei selitä gravitaatiota. Vuorovaikutuksien luokittelu ja nimitykset perustuvat osaksi niiden suhteellisiin voimakkuuksiin. Jos vahvan vuorovaikutuksen voimakkuus on 1, niin sähkömagneettinen voima on 0.01, heikko vuorovaikutus 0.00001 ja gravitaatio vielä paljon heikompi.[7]Standardimalli
Standardimalli on hiukkasfysiikan perusteoria jossa yhdistetään hiukkasfysiikka yhdeksi teoriaksi. Standardimalli käsittelee siis kaikki tunnetut alkeishiukkaset sekä niiden vuorovaikutukset. Malli ei kuitenkaan selitä gravitaatiota, mikä on yksi mallin ongelmista. Tätä tietoa käyttäen voidaan sanoa että tällä hetkellä tunnettu fysiikka on pienimmillään standardimalli ja siihen lisättynä gravitaatio.[8]Standardimallissa on omat ongelmansa kuten jo edellä mainittu standardimallin selityksistä puuttuva gravitaatio. Gravitaatiovuorovaikutuksen puute on yksi suurimmista ongelmista mutta mallin suurin ongelma on sen selitys neutriinoista. Standardimalli olettaa neutriinojen olevan massattomia mutta uusissa tutkimuksissa on todistettu neutriinojen värähtelevän mikä taas todistaa neutriinoen omaavan massaa vaikkakin se on erittäiin pieni on se maailmankaikkeuden massasta huomattava osio nykykäsityksen mukaan.
Standardimallissa ei myöskään saada selitettyä miksi perushiukkasilla on vain kolme "perhettä" sekä nyky laitteistolla on mahdotonta tarkistaa pystyisikö leptoneita ja kvarkkeja pilkkoa vielä pienempiin osiin.
Ulkopuolisille standardimallin suurin ongelma on sen valtava monimutkaisuus.
Standardimalli ei myöskään ole valmis sillä ei ikinä tiedetä että voisiko löytyä uudemmalla teknologialla kymmenien vuosien päästä jotain vielä pienempää kuin nyt.
Vaikkakin tälläisiä ongelmia standardimallissa löytyy on se tieteellisissä piireissä todettu sen tarkoitukseen toimivaksi teoriaksi ja siten toimii hiukkasfysiikkaan liittyvässä tutkinnassa pohjane esimerkiksi CERN:ssä tapahtuvat kokeet perustuvat standardimalliin.[9]
http://www-outreach.phy.cam.ac.uk/camphy/cloudchamber/cloudchamber_index.htm 1.6.2016
http://cds.cern.ch/record/922757/files/lhcc-2006-001.pdf 31.6.2016
http://cds.cern.ch/record/261062/files/p1_2.pdf 31.6.2016
http://ab-div.web.cern.ch/ab-div/Publications/LHC-DesignReport.html 31.6.2016
http://accelconf.web.cern.ch/accelconf/e96/PAPERS/ORALS/FRX04A.PDF 31.6.2016
Maalampi Jukka, Perko Tapani, 2006, Lyhyt modernin fysiikan johdatus, s.166-167
Maalampi Jukka, Perko Tapani, 2006, Lyhyt modernin fysiikan johdatus, s.169-170
Lehto et al. Fysiikka 8: Aine ja Säteily, 2012, s. 166-167
http://www.kotiposti.net/ajnieminen/std.pdf luettu 31.5.2016
https://fi.wikipedia.org/wiki/Hiukkasfysiikan_standardimalli luettu 31.5.2016