Suomalainen fyysikko Juska Pekkanen on mukana Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskuksen CERNin tutkijaryhmässä Sveitsissä, jonka tehtävänä on etsiä alkeishiukkasia ja vastauksia niiden aiheuttamiin ilmiöihin, joita nykyfysiikka ei vielä ole pystynyt selittämään, kertoo Aalto-yliopisto tiedotteessaan.

Ryhmä ahkeroi historian suurimpien tavoitettujen hiukkastörmäysenergioiden kanssa. Kyseiset energiamäärät liikkuvat sellaisissa lukemissa, että ne riittäisivät vaikka jumbojetin lentämiseen.

Pekkanen väitteli tällä viikolla Aalto-yliopiston teknillisen fysiikan laitoksella.

Viimeisin läpimurto alalla tehtiin vuonna 2012, kun 30 vuoden ajan etsitty Higgsin bosoni -alkeishiukkanen löydettiin CERNin tutkimuskeskuksen Suuressa Hadronitörmäyttimessä, joka on maailman suurin hiukkaskiihdytin. Mullistavan löydön tehneet brittiläinen Peter Higgs sekä belgialainen François Englert lunastivat työstään Nobelin fysiikanpalkinnon vuonna 2013.

Nyt pyritään kuitenkin vielä pidemmälle. Esimerkiksi se, mistä massallisista hiukkasista pimeä aine koostuu tai se, onko pimeällä energialla välittäjähiukkasta ja jos on, mikä se on, ovat kysymyksiä, joihin Pekkanen sekä tuhannet muut fyysikot yrittävät kuumeisesti löytää vastauksia. Suurin osa havaittavan maailmankaikkeuden materiasta on pimeää ainetta sekä energiaa.

”Samanlaisia avoimia kysymyksiä on edelleen paljon, joten meidän tulee lähteä etsimään vastauksia ja ymmärtää ilmiötä, joita fysiikassa ei edelleenkään osata selittää”, Pekkanen toteaa tiedotteessa.

Yksi keino erinäisten ratkaisujen löytämiselle on törmäyttää protoneita keskenään valtavalla energiamäärällä sekä nopeudella ja tarkastella mitä tapahtuu.

Pekkanen ja hänen kollegansa ovat analysoineet yhteentörmäyksissä alkunsa saavia hiukkasryöppyjä. Niiden seasta on mahdollista löytää merkkejä kokonaan uusista hiukkasista.

Ryöppyjen eli hiukkassuihkujen tutkimisesta on hyvää vauhtia syntymässä oma fysiikan alansa, jonka polunraivaajiin Pekkanen kuuluu CERNin Compact Muon Solenoid (CMS) -kokeen kanssa tekemänsä työnsä johdosta.

CMS-kokeissa tutkijat tallentavat ja mittaavat törmäyksiä Suuressa Hadronitörmäyttimessä ja analysoivat, mitä törmäyksissä tapahtuu. Ryöppyjä syntyy melkein kaikissa törmäyksissä.

Fyysikot koettavat laskea ryöppyjen kokonaisenergiamäärää ja mitata sen, miten energia jakautuu eri tyyppisten hiukkasten kesken.

Törmäyttimen sensorien keräämät tuhannet signaalit mallinnetaan algoritmejä hyväksi käyttäen. Törmäysten pohjalta luodaan tietokonesimulaatioita, joiden avulla sensoreita viritetään jatkuvasti herkemmiksi.

”Yritämme saada mahdollisimman tarkan kuvan hiukkasryöpyistä. Mittaamme niitä miljoonilla sensoreilla kaksikymmenmetrisessä, 15 tuhannen tonnin mittalaitteessamme. Mitä tarkemmiksi pääsemme mittaustuloksissamme, sitä todennäköisemmin pystymme havaitsemaan uusia hiukkasia”, Pekkanen kertoo tiedotteessa.

Tiedotteen mukaan Pekkasen mielestä hiukkasryöpyt voisivat olla avaintekijä uusien massallisten hiukkasten löytämisessä. Pekkanen on etsiskellyt niitä protonien törmäyksistä. Niissä muodostuu kaksi vastakkaisiin suuntiin kiitävää ryöppyä.

”Ne voisivat olla tapahtumia, joissa tuntematon hiukkanen syntyy ja saman tien hajoaa muiksi hiukkasiksi. Olemme analysoineet miljardeja törmäyksiä ja etsineet niistä poikkeavia ja epäjohdonmukaisia ilmiöitä, jotka voisivat olla merkkejä vallankumouksellisista uusista hiukkasista”, Pekkanen kuvailee tiedotteessa.

Tavoitteena on, että vuoden 2022 aikana Suurella Hadronitörmäyttimellä saataisiin kerättyä kymmenen kertaa enemmän dataa nykyiseen verrattuna.

”Toistaiseksi emme ole löytäneet Higgsin bosonista seuraavaa uutta, massiivista hiukkasta. Todennäköisesti tarvitsemme uuden sukupolven hadronitörmäyttimiä ja mittalaitteita, jotta voimme törmäyttää monta kertaa nykyistä suuremmilla energiamäärillä – ja selvittää pitkään arveluttaneet fysiikan mysteerit”, Pekkanen arvioi.