W-bosoni massi kaudu kvantmaailma uutest tulemustest

Kas tehtud on kauaoodatud avastus ja üles leitud uus füüsika või on tegu mõõtmisveaga?

KRISTJAN KANNIKE, MARTTI RAIDAL

Aeg-ajalt toimuvad teaduses tektoonilist mõõtu sündmused, mis kujundavad ümber kogu meie arusaama loodusest ja selle toimimisest. Ingliskeelsed populaarteaduslikud blogid ja ülikoolide suhtekorraldajate pressiteated jätavad mulje, et selline sündmus võis olla hiljutine W-bosoni massi täppismõõtmine Fermilabis (USA) asuvas kiirendis Tevatron. Ameerika füüsikud leidsid, et see osake võib olla ligi 0,1% seni arvatust raskem.

Kuidas saab selline esmapilgul tühine W-bosoni massi muutus muuta meie maailmapilti? Paremini kui W-bosonit tunneme valgusosakest footonit, mis vahendab elektromagnetilist vastastikmõju. Footonite abil sõna otseses mõttes me näeme maailma, muidugi toimib tänu footonitele elekter ja püsivad koos aatomid. Nõrka vastastikmõju vahendavad elektrilaenguga W-boson ja neutraalne Z-boson on footoni massiivsed sugulased. W-bosoni suure massi tõttu, mis on võrdne ligi 80kordse prootoni massiga, ei ole teda otseselt näha mujal kui kiirendites, kuid W-bosoni vahendatud füüsikalised protsessid on tuntud laiemalt. Näiteks joodi radioaktiivse isotoobi lagunemist – milles joodi aatomituum kiirgab elektroni ja neutriino, ise muutudes hoopis väärisgaasi ksenooni tuumaks – vahendab W–boson. Just radioaktiivsuse uurimise eest sai Nobeli auhinna üks maailma tuntumaid teadlasi Marie Curie. Nüüd teame, et ta uuris samuti W-bosoniga seotud protsesse. Hiljem selgus, et nõrka vastastikmõju on vaja ka tähtede termotuumareaktsioonide ühes etapis: ilma selleta ei annaks Päike valgust ega soojust.

Standardmudeli vundament

Footon koos W-bosoni ja selle teise massiivse sugulase Z-bosoniga moodustab osakestefüüsika standardmudeli vundamendi. Standardmudel on teooria, mis võtab kokku rohkem kui sajandi vältel tehtud osakestefüüsika eksperimentide tulemused. Tuginedes paarile lihtsale füüsikaprintsiibile suudab see teooria praegusel hetkel kirjeldada kõigi meile teadaolevate osakeste käitumist. Standardmudeli osakestest koosneme me ise, meid ümbritsevad asjad, Maa, Päike ja tähed. On küll öeldud, et kõige tähtsam on silmale nähtamatu – ja tõesti, universumis on märksa rohkem tumeainet ja tumeenergiat kui nähtavat ainet. Neid standardmudel ei kirjelda ja seetõttu uuritakse standardmudeli edasiarendusi, kus näiteks tumeaine on mõni konkreetne uus osake. Kuid nii tumeaine kui tumeenergia on seni jäänud „tumedaks“, kuna teame neist vaid nende gravitatsiooni kaudu: eksperimendid ei anna siiani vähimatki aimu nende kui osakeste interaktsioonidest. Seepärast ei ole ka teada, kas tumeaine ja tumeenergia on osakeste maailma nähtused või pärinevadki nad ainult gravitatsioonijõude kirjeldavaist teooriaist.

Seevastu standardmudeli fundamentaalsed alused on hästi teada ja katsetes korduvalt proovile pandud. Standardmudeli järgi tulenevad kõik kolm looduses teadaolevat osakestevahelist vastastikmõju – elektromagnetiline, nõrk ja tugev – sümmeetriatest. Kvantväljateoorias vahendavad osakestevahelisi jõude teised, sümmeetriatest tulenevad osakesed nagu footon, W- ja Z-bosonid. Häda on selles, et sümmeetriate tõttu peaksid sellised vaheosakesed olema massitud. W-bosonil aga on prootonist 80 korda suurem mass. Selle vastuolu seletamiseks toodi standardmudelisse sisse Higgsi väli, mille ülesanne on sümmeetriate rikkumine. Kogu universumit ühtlaselt täitev Higgsi välja keskkond on vastastikmõjus ülejäänud standardmudeli osakestega ja annab nii neile massi.

Üks standardmudeli peamine ennustus ongi olnud uue osakese – Higgsi bosoni – olemasolu. Higgsi osakese massi standardmudel päris täpselt ette ei näe, kuid oli selge, et see ei saa olla raskem kui kümmekond W-bosoni massi; erinevate mõõtmistulemuste kooskõla viitas pigem, et ta ei ole W-bosonist kuigi palju raskem. See osake avastati alles 2012. aastal CERNis LHC kiirendi CMSi ja ATLASe eksperimentides ja tema massiks mõõdeti 125 prootoni massi. Mõlemad käesoleva artikli autorid olid CMSi kollaboratsiooni liikmetena osalised selle osakese avastamises, mis järgmisel aastal viis Nobeli auhinna andmiseni Peter Higgsile ja François Englert’ile.

Kuna Z-bosoni ja W-bosoni vahendatavate jõudude tugevused ja nende massid on omavahel seotud, on nende osakeste masside suhe ennustatud standard­mudelis suure täpsusega. Iga­sugune kõrvalekaldumine sellest võib olla vihje, et on olemas meile veel seni tundmatuid osakesi, mis seda mõjutavad.

W-bosoni massi uus mõõtmine

Standardmudeli poolt ennustatud Z- ja W-bosonid avastati 1983. aastal CERNi UA1 ja UA2 eksperimentides, mitukümmend aastat varem kui Higgsi boson. Selgus, et mõõtmisvigade piires vastasid nende massid ennustatule. Täpsemini mõõdeti Z- ja W-bosoni massi järgmise kümnendi kiirendites LEP (CERNis) ja Tevatron. Tevatron oli prootoneid ja antiprootoneid põrgatav kiirendi, mille põrkeenergia oli ligi kümme korda väiksem LHC omast ja mis lõpetas oma töö kümme aastat tagasi. Sellele vaatamata avaldasid Tevatroni füüsikud hiljuti artikli, milles väidavad, et on teinud kogu Tevatroni tegevuse jooksul kogutud andmete põhjal uue W-bosoni massi mõõtmise. Suure andmehulga toel väidavad koos töötanud teadlased, et nad on saavutanud mõõtmistäpsuse, mida varem ei oldud saavutatud. Uus tulemus erineb standardmudeli ennustusest sedavõrd, et võimaldab väita, et standardmudel ei kirjeldagi reaalsust täielikult.

Põhimõtteliselt on selle tulemuse seletamiseks kaks loogilist võimalust. Esimene on see, et eksisteerivad uued osakesed, mille kaudne mõju muudab W-bosoni massi standardmudeli ennustusest niivõrd erinevaks, et seda saab mõõtmisvigade piires mõõta. Selle võimaluse põhiselt tähendab Tevatroni tulemus, et Tevatron on teinud kauaoodatud avastuse ja leidnud üles uue füüsika. Tõsi, mitte otsese avastuse, vaid kaudse mõõtmise põhjal, kuid siiski uue füüsika. Seda trummi taovad nii artikli autorid ise kui ka Tevatroni eksperimentides osalenud ülikoolid ja arvukad blogijad üle maailma. Kuna tegemist on kaudse avastusega, siis on potentsiaalseid uue füüsika teooriaid, mis on võimelised mõõtmistulemust seletama, palju. Näiteks on teooriad, milles on peale standardmudeli Higgsi välja veel teinegi, mis täidab kogu universumit ja mõjutab osakeste masse. Teema aktuaalsuse tõttu on selliste mudelite koostamine praegu teoreetikute üks meelisteemasid. Ei saa ka öelda, et säärase mudeli loomiseks tuleks lausa nahast välja pugeda. Seega on uue füüsika olemasolu täiesti võimalik seletus uuele Tevatroni mõõtmistulemusele.

Kuid on teinegi põhimõtteline võimalus. Kõikidel füüsikalistel mõõtmistel on vead. Eksperimentidega hinnatakse oma mõõtmiste statistilisi ja süstemaatilisi vigu ning mõlemad neist võivad valmistada üllatusi. Toome mõned näited. Mõned aastad tagasi „avastati“ neutriinod, mis liiguvad valguse kiirusest kiiremini. Selline asi tähendaks Einsteini relatiivsusteooria lõppu ja kogu meie maailmapildi ümbervaatamist. Nii drastilisi meetmeid siiski vaja ei läinud, sest tulemust seletas „süstemaatiline viga“ – logisev juhe detektoris. Hiljuti raputas füüsikamaailma võimalik uue osakese avastus LHC kiirendis. Uue osakese mass oli väidetavalt 750 prootoni massi ja tema omadused olid väga veidrad. Uute eksperimendiandmete kogunemisel selgus, et tegemist oli statistilise kõikumisega, mille tõenäosus on üliväike, väiksem kui lotovõidu tõenäosus, kuid see siiski realiseerus. Mõõtmiskõverale tekkis juhuslikult kühm, mis võinuks viidata osakesele, kuid kui kogunes rohkem andmeid, see siiski kadus. Nende näidete varal on olemas küllalti arvestatav tõenäosus, et Tevatroni eksperimentide korraldajad on alahinnanud oma mõõtmisvigu. Näiteks tekitab küsimusi küllaltki veider asjaolu, et uue tulemusega tuldi välja kümme aastat pärast eksperimendi lõppu. Kiirendifüüsika detektorid on ülisuured ja keerukad ning mõõtmiste puhul tuleb arvesse võtta ka kõige väiksemaid efekte. Näiteks Kuu tiirlemisel ümber Maa tekkivad loodejõud on selgelt kiirendites näha ja neid tuleb mõõtmistel arvesse võtta. Kas Tevatroni füüsikud ikka teavad – kümme aastat hiljem – kõiki oma eksperimendi nüansse? Ja kui teavad, siis ikkagi jääb võimalus statistiliseks fluktuatsiooniks. Seega ei saa välistada, et standardmudel siiski kehtib ja Tevatroni uus W-bosoni massi mõõtmine on lihtsalt fluktuatsioon.

Järgmised katsed lahendavad saaga

Kuidas siis nimetatud kahe võimaluse vahel valida? Õnneks ei pea füüsikas seda otsustama inimesed. Füüsika on loodusteadus ja loodusteadus põhineb katsetel. Kui tahame eeltoodud kahe seletuse vahel otsustada, siis peame tegema uusi katseid: selleks on meil praegu töötav LHC kiirendi. Seniajani ei olnud W-bosoni massi täppismõõtmine LHC füüsikas prioriteetne teema. Kuna LHC energia on suurem kõigist eelnevatest kiirenditest, siis on LHC eksperimendid keskendatud otsestele uue füüsika otsingutele. Osakeste omaduste täppismõõtmisteks on LHC isegi „liiga hea“, s.t tema põrkeenergia on liiga suur. Tõenäoliselt seletabki just see asjaolu tõsiasja, et Tevatron, mille põrkeenergia on väiksem LHC omast, tuli just nüüd välja oma mõõtmisega – selles vallas suudab Tevatron LHCga konkureerida. Kuid ka LHC eksperimentidel on oma eelised – LHCs on salvestanud palju rohkem osakeste kokkupõrgete jälgi ja seetõttu on olemas palju rohkem statistikat. Seega võib eeldada, et lähiajal tulevad kaks suurt LHC eksperimenti, ATLAS ja CMS, välja oma W-bosoni massi mõõtmistega. Siis leiab Tevatroni W-bosoni massi mõõtmise saaga oma lahenduse ja selgub, kas on leitud uus füüsika või on tegu mingit tüüpi veaga.

Akadeemik Martti Raidal on Keemilise ja bioloogilise füüsika instituudi juhtivteadur.

Kristjan Kannike on Keemilise ja bioloogilise füüsika instituudi vanemteadur.