Beyond the Higgs [theoretical particle physics @HIP]

In this blog post, I am going to take you on a short tour of some of the theoretical particle physics work that goes on at HIP. There is so much work going on, across so many different areas, that I can only hope to give you a flavour. My selection of topics is by no means impartial or complete.

Introduction

In July 2012, the two major experiments at CERN, CMS (of which HIP is a member) and ATLAS, announced that they had detected a new particle which had the characteristics expected of the missing, and long-awaited Higgs boson. The Higgs was a missing jigsaw piece of the Standard Model of particle physics, and its discovery finally tied up quite a few loose ends. Most importantly, the “turning on” of the Higgs boson would explain why certain other particles are massive, and why the electromagnetic and weak nuclear forces ceased to be unified a few picoseconds after the Big Bang.

Finnish high school students visiting CMS

A group of Finnish high school students visiting CMS with Dr. Jaakko Härkönen

Some questions were, however, left unanswered. One nagging question—which happens to interest me in particular—is where all the antimatter in the universe went (if it was ever there at all). Look around you. Look further. In fact, look all the way to the edge of the visible universe. It’s all matter; the antimatter has been destroyed, converted or—just perhaps—it was never there in the first place. And yet, the laws of physics (such as the Standard Model of particle physics) do not really discriminate between matter and antimatter. And what little differences there are don’t do enough to explain where all the antimatter went. So, some new physics is needed.

Electroweak baryogenesis

If we assume that something happened to create the matter-antimatter asymmetry and the universe wasn’t born that way, then something extra has to have happened, early in the universe. The process would have to have been violent, maybe even explosive (so that the antimatter content wouldn’t just naturally creep back as the universe equilibrated again). One way—other equally viable options exist, and are studied at iHIP, too—for this to have happened would be if the
Higgs boson turned on through a first-order phase transition, like water condensing from steam. This could have happened extremely rapidly, and the laws of physics outside the expanding Higgs bubbles could have been very different from that inside.

First-order electroweak phase transition

Visualisation of a simulation of a first-order electroweak phase transition (click to see video)

Unfortunately, the Standard Model of particle physics, as it stands, doesn’t allow this to happen. New physics beyond the Standard Model is needed. This is an area of research in which HIP has a very long pedigree, and remains at the cutting edge. Researchers such as Kimmo Kainulainen in Jyväskylä, and Kari Rummukainen in Helsinki, are world experts in studying these scenarios. Many postdocs, including Oliver Gould and Venus Keus in Helsinki, also work on these models.

An unlikely particle physics experiment: LISA

The additional particles needed to make the above scenario–electroweak baryogenesis–work might be detectable in future particle physics experiments, be they dark matter detectors or new particle accelerators. There is, however, another way that hints of this physics could be seen.

The bubbles of the new Higgs phase that form when the Higgs turns on grow and collide quite explosively, burning up extra energy released as the bubbles expand, and turning it into reaction fronts that surround the bubbles as they grow. These reaction fronts heat the universe—which at that point is a plasma of hot fundamental particles—and set up sound waves that continue to spread even after the bubbles have merged. These large excitations of energy, in turn,
create gravitational waves.

Tied with the Higgs boson discovery for physics news of the decade (or even century) was, in my opinion, the first direct detection of gravitational waves announced by the LIGO experiment in February 2016. While that announcement was of gravitational waves from merging black holes, practically any really energetic event in the history of the universe will create gravitational waves.

Furthermore, LIGO’s success gave renewed impetus to other missionsincluding the space mission LISA. This will consist of three satellites in a triangular configuration, with laser beams linking them. As gravitational waves pass through, the distance between the satellites will change slightly, registering a signal.

LISA spacecraft

Artist’s impression of one of the LISA spacecraft

The size of the Higgs bubbles, and therefore the wavelength of those sound waves, happens to be the perfect size to be seen by the LISA mission. Indeed, the [science case|https://arxiv.org/abs/1305.5720] for LISA discusses exactly this sort of scenario as one of the signals they will be looking for, alongside signals from white dwarf binaries in the Milky Way and from supermassive black holes.

At HIP we are working to make accurate predictions of what LISA will see for a wide range of scenarios. Several HIP physicists are full members of the LISA collaboration, including Mark Hindmarsh, Kari Rummukainen and David Weir. Furthermore, we hosted a workshop of the LISA Cosmology Working Group in June of 2017, bringing dozens of physicists from across Europe and beyond to discuss the electroweak phase transition and other processes in the early universe that might be seen by LISA!

Ending

This has necessarily been a highly selective list of some physics that I work on with my colleagues at HIP, and which involves researchers in both Jyväskylä and Helsinki. Being part of an institute which combines particle physics experiments with cutting-edge research in theoretical physics makes for a stimulating and exciting workplace in which to study the early universe.

David Weir

Fysiikan tutkimuslaitos (HIP): eilen – tänään – huomenna

In English

Fysiikan tutkimuslaitoksen yhteisen blogin karuhko nimi heijastaa sitä, että tarkoituksemme on tässä kertoa laajasti Fysiikan tutkimuslaitoksen tutkimuksesta ja toiminnasta, rajaamatta sisältöä nimellä. Vaikka kaikkien tekstien on tarkoitus koskettaa HIP:in toimintaa tavalla tai toisella, toivomme monipuolisten kirjoitusten kiinnostavan eri yleisöjä eri tavalla.

HIP:in johtajan ominaisuudessa kokoan ensimmäisen kirjoituksen alkuun ajatuksiani HIP:in roolista ja hyödyistä suomalaisessa tiedemaailmassa. Kertaan myös lyhyesti alkuaikojen historiaa eli taustaa nykyiselle laitokselle – olin silloisten henkilökuntien edustajana jäsenenä HIP:in väliaikaisessa johtokunnassa vuonna 1996 ja HIP:in johtokunnassa 1997-2007.

Erityisrooli Suomen tutkimuskentässä

Minkä tahansa tutkimuslaitoksen on tiedettävä, mikä on juuri sille niin erityistä, että sitä ei saada aikaiseksi ilman kyseistä laitosta.

HIP tarjoaa kaksi toisiinsa tiiviisti liittyvää erityispiirrettä:

  • HIP yhdistää Helsingin ja Jyväskylän yliopistojen, Aalto-yliopiston sekä Lappeenrannan ja Tampereen teknillisten yliopistojen hyvin laaja-alaisia ja erilaisia kiihdyttimiin liittyviä tietoja ja taitoja.Näin monen eri painotuksia edustavien yliopistojen tutkijoiden tiivis yhteenliittymä on harvinainen saavutus myös maailman mittakaavassa!

 

  • HIP muodostaa tutkimusjatkumon teoreettisen fysiikan, kiihdytinkokeiden analyysin, koejärjestelmien ja niiden instrumentoinnin sekä teknologisen kehittämisen kautta yhteistyössä teollisuuden kanssa tapahtuvaan tuotteiden kaupallistamiseen saakka.Näin laaja ja yhtenäinen tutkimuskenttä ei ole yksittäiselle yliopistolle tieteellisesti tai käytännön resurssien vuoksi helposti toteutettavissa!

Oleellisen lisän edellä olevaan tuo vielä HIP:n kiinteä yhteistyö kansainvälisten kiihdytinkeskusten (CERN, FAIR) kanssa. Tämä yhteistyö luo vankan pohjan kaikkien HIP:in muodostavien yliopistojen toiminnalle näiden keskusten kanssa.

Suomen tapaa tehdä CERN -yhteistyötä HIP:in puitteissa onkin kiitelty useissa eri yhteyksissä.

Historiaa lyhyesti

HIP ponnisti alunperin kolmen sitä edeltävän tutkimuslaitoksen pohjalta:

Helsingin yliopiston Teoreettisen fysiikan tutkimuslaitos (TFT) ja Suurenergiafysiikan tutkimuslaitos (SEFT) sekä Teknillisen korkeakoulun Hiukkasteknologian instituutti (HTI) yhdistettiin asetuksella Helsingin yliopiston ja Teknillisen korkeakoulun yhteiseksi Fysiikan tutkimuslaitokseksi 1.9.1996. Varsinainen toiminta alkoi 1997 alussa, kun TFT:n, SEFT:n ja HTI:n toiminta lakkautettiin.

Yhdistettävien tutkimuslaitosten toimintakulttuurien yhteensovittamista pohdittiin monelta kantilta. Päädyttiin siihen, että mahdollisimman hyvään tutkimuksen sujumista avustavaan rakenteeseen kuului oleellisesti tutkimuksen tekeminen määräaikaisina projekteina ilman vakituista henkilökuntaa. Projektiaiheiden valinnassa laitoksen johtokuntaa oli määrä avustaa korkeatasoinen tieteellinen neuvottelukunta tieteellisen arvioinnin perusteella.

Määräaikaisten projektien vastapainona toiminnan tukirankana olivat CERNin kokeet, jotka vaativat pitkäaikaista sitoutumista tiettyyn kokeeseen. Tutkimuslaitoksen syntymäaika oli CERNissä vuosina 1989-2001 tehtyjen elektroni-positroni -törmäytinkokeiden aikaa tunnelissa, johon sittemmin rakennettiin siinä nykyisin toimiva Large Hadron Collider (LHC).

Fysiikan tutkimuslaitoksen englanninkielisestä nimestä Helsinki Institute of Physics (HIP) keskusteltiin pitkään Jyväskylän yliopiston liittyessä mukaan 2002, mutta vakiintuneesta nimestä ja lyhenteestä ei haluttu luopua. Nimi siis jäi, vaikka tutkimuslaitoksen maantieteellinen ulottuvuus on jo useamman kerran laajentunut: Jyväskylän yliopisto liittyi mukaan 2002, Lappeenrannan teknillinen yliopisto 2006 ja Tampereen teknillinen yliopisto 2008. Säteilyturvakeskus on väliaikaisena jäsenenä 2018-2019.

Nykyiset ohjelmat ja projektit

HIP:in toiminta jakautuu edelleen teoriaohjelmaan, kokeellisiin ohjelmiin ja teknologiaohjelmaan, joissa kaikissa on projektirakenne. Projektit ovat 3+3 -vuotisia niin, että ensimmäisen kolmen vuoden jälkeen on arviointi, jonka perusteella päätetään projektin jatkosta – HIP:n tutkimus on ollut ketterää jo kauan ennen kuin ketteryydestä tuli muotisana.

Kokeellisia ohjelmia ovat CMS-ohjelma ja ydinfysiikan ohjelma.

Ohjelmat ja niiden projektit ovat toiminnan ydin. Tutkimuslaitoksen dynamiikka syntyy suurelta osin ohjelmien sisällä vaihtuvista tai uudistuvista projekteista, joiden päälliköt ovat olleet tavattoman innostuneita ja päämäärätietoisia. Sen seurauksena esimerkiksi teoriaprojektien entisistä päälliköistä miltei kaikki toimivat yliopistojen professoreina tai yliopistonlehtoreina.

HIP:in toiminnassa oleellisena osana on ollut ilmaisinlaboratorio. Sen asema on vakiinnutettu tekemällä ilmaisinlaboratoriosta oma infrastruktuurinsa HIP:in sisälle, minkä lisäksi ilmaisinlaboratorio on yhteinen fysiikan osaston kanssa.

HIP:issä on myös muita ohjelmien ulkopuolisia osia: erillisprojektit CLOUD (liittyen kosmisten säteiden vaikutukseen pilvien muodostumisessa), PLANCK-EUCLID (liittyen kosmologiatutkimukseen), koulutoiminta ja avoin data (liittyen CERNin valtaviin datamääriin ja CERNin käyttöön opetustarkoituksiin).

Eteenpäin keskustelevana yhteisönä

Fysiikan tutkimuslaitos on kaikissa siitä tehdyissä arvioissa saanut paljon kiitosta, mutta aina riittää parannettavaa. Koska HIP on vuosien mittaan laajentunut alkuajoista sekä tieteellisesti että maantieteellisesti, vaarana on, että toiminnasta tulee hajanaista, eivätkä tutkijat enää näe yhteistä ”päämäärää” selkeästi. Tämän välttämiseksi HIP-yhteisön tapaamiset ovat tarpeellisia. Kuluvana vuonna on aloitettu HIP:in ohjelmien yhteiset sisäiset kokoontumiset ja ensi vuonna kootaan koko yhteisö suureen ”torikokoukseen”.

Siellä on koko yhteisöllä takuuvarmasti paljon opittavaa!

Toivon, että tämä blogi tarjoaa koko yhteisömme voimin jatkossa palasia HIP:n tutkijoiden olosta ja elosta sekä erityisesti siitä mieltä hivelevästä fysiikasta, mitä tutkimuslaitoksessamme teemme.

Lue lisää:

HIP:issä tehtävästä tutkimuksesta saa hyvän kuvan esimerkiksi vuosikertomuksesta.

Tervetuloa keskustelemaan myös Twitterissä: @HIPhysics

Katri Huitu

Helsinki Institute of Physics (HIP): yesterday – today – tomorrow

suomeksi

The rather ascetic name of HIP common blog reflects our aim of broadly narrating the research and activities of Helsinki Institute of Physics, without restrictions on the particular content. Although the posts will be related to activities of HIP in one way or another,  we hope that the variety of content will engage the attention of a wide audience.

As Director of HIP I would like to first briefly summarize my thinking concerning the role of HIP, as well as of the usefulness of HIP in the Finnish science environment. I will also shortly review the beginnings of HIP, i.e. background for the current Institute. During HIP’s formation, I was personnel representative on the temporary board of HIP for 1996, and then on the board of HIP during 1997-2007.

Special role in Finnish research

Any research Institute should know, what is so specific to it that it cannot be covered without that Institute.

HIP possesses two unique features that are closely connected to each other:

  • HIP connects extensive and different expertise and know-how connected to accelerators from the Universities of Helsinki and Jyväskylä, Aalto University and the Technical Universities of Lappeenranta and Tampere.Such a close joint venture of so many universities with different emphases is internationally rare!
  • HIP covers a continuum of research topics from theoretical physics, analysis of accelerator experiments, experimental set-ups and instrumentation, as well as technological development all the way to commercialization of products in collaboration with industry.Such a wide and coherent research field is difficult to realise within a single university because of a lack of scientific expertise or other resources!

An essential addition to the above comes from the close collaboration of HIP with international accelerator centers (CERN, and FAIR). This collaboration gives a robust foundation for all the activities of HIP partner universities with these centers.

The collaboration of Finland with CERN through HIP has been praised many times as exemplary.

Short history

HIP started as a merger of three former research institutions:

The Research Institute of Theoretical Physics (TFT) and the Research Institute for High Energy Physics (SEFT) of the University of Helsinki, and the Institute for Particle Technology (HTI) of the University of Technology were merged to form the Helsinki Institute of Physics by law 1.9.1996. The Institute began in full at the beginning of 1997, when TFT, SEFT and HTI operations were discontinued.

The combination of working cultures of the merging institutes was mulled over thoroughly. It was deduced that the supporting structure most conducive to good research would be to have fixed-term projects without permanent staff. In order to find the best possible projects, a high level scientific advisory board would advise the Board through scientific evaluation.

Fixed-term projects have been counterbalanced by the experiments at CERN, which have required long-term commitment; they have therefore formed a supporting framework for HIP’s activities. At the time of HIP’s formation, CERN was running during 1989-2001 electron-positron collider experiments in the same tunnel in which the Large Hadron Collider (LHC) would later be built.

The English name of the Institute, Helsinki Institute of Physics (HIP), was discussed at length when the University of Jyväskylä joined HIP in 2002, but the name had already become established, and there was not much interest in giving it up. So the HIP name remained, although the geographic extent of the Institute has extended several times: the University of Jyväskylä joined in 2002, Lappeenranta University of Technology in 2006, and Tampere University of Technology in 2008. The Radiation and Nuclear Safety Authority is an interim partner for 2018-2019.

Current programmes and projects

HIP activities are still divided into the theory programme, experimental programmes and the technology programme, all of which have a project structure. Projects are 3+3 years, with an evaluation after the first 3 years, at which point a decision is taken whether to continue the project – HIP research has been agile long before agility became a hip term.

Our experimental programmes are the CMS programme and the nuclear matter programme.

Programmes and their projects form the core of HIP activities. The dynamics of the Institute are largely generated by the changes or renewal of the projects, whose leaders have been extraordinarily devoted and determined. As a consequence, for example almost all of the former theory project leaders have obtained permanent academic positions.

In HIP operations (and prior that in SEFT operations) an essential part has been the Detector Laboratory. Its status has been solidified by making it its own infrastructure inside HIP. Furthermore, it is jointly operated by the Department of Physics.

There are also other elements in HIP not belonging to the Programmes: separate projects CLOUD (studying possible link between galactic cosmic rays and cloud formation), PLANCK-EUCLID (concerning cosmology research), Open Data and Education (concerning gigantic amount of data from CERN and use of CERN for education).

Forward as an interacting community

The Helsinki Institute of Physics has been praised in every evaluation made of it, but there is always something to improve. Since HIP has over the years extended from its beginnings both scientifically and geographically, there is a risk that activities become scattered and the common goal is lost. To avoid this, meetings of the HIP community are indispensable. Already this year the Programmes have started their own internal meetings, and in 2019 the whole HIP community will be gathered in a large “town meeting”.

The whole community will have a lot to learn from such a meeting!

I hope that this blog, with contributions from our community, will offer glimpses into the activities and thoughts of HIP researchers, and especially of the fascinating physics being done in our institute.

 

Read more:

The annual report offers a good review of the research in HIP,

 

You are most welcome to interact with us also on Twitter: @HIPhysics

Katri Huitu