Hiukkasfysiikasta tohtoriksi lokakuussa 2019 väitellyt Santeri Laurila etsi väitöskirjassaan Higgsin bosonin sähkövarauksellisia sukulaishiukkasia LHC-hiukkastörmäyttimen datasta. Ennätyksellisen suuri törmäysenergia ja kehittyneet analyysimenetelmät mahdollistivat aiempaa paremman etsintätarkkuuden.

Vuonna 2012 Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskuksessa CERNissä tehtiin historiaa, kun tutkijat ilmoittivat havainneensa uuden alkeishiukkasen. Kyseessä oli Higgsin bosoni, jota oli etsitty lähes 50 vuotta. Uusien hiukkasten metsästäminen jatkuu CERNissä edelleen. Monet teoreettiset fyysikot ovat esittäneet, että Higgsin bosoneita voi olla useita erilaisia. Jo havaitulla Higgsin hiukkasella ei ole sähkövarausta, mutta monet teoriat sisältävät myös sen sukulaishiukkasia, joilla on negatiivinen sähkövaraus kuten elektronilla tai positiivinen varaus kuten protonilla.

Merkkejä näistä jo havaitun Higgsin bosonin sähkövarauksellisista “sisaruksista” etsitään maailman suurimmalla ja tehokkaimmalla hiukkastörmäyttimellä, Large Hadron Colliderilla (LHC). LHC-törmäyttimen avulla voimme tutkia luontoa energia-alueella, johon ihmiskunnalla ei ole koskaan aiemmin ollut pääsyä. Kun protoneja törmäytetään toisiinsa yhä suuremmilla liike-energioilla, todennköisyys Higgsin bosonien syntymiselle kasvaa. Tämä pätee myös sähkövarauksellisiin Higgsin bosoneihin, jos niitä on olemassa. Väitöskirjassani etsinkin sähkövarauksellisia Higgsin bosoneita ennätyksellisen suurienergisistä törmäyksistä.

Väitöstutkimukseni tulokset julkaistiin kansainvälisen CMS-kollaboraation yhteisenä artikkelina arvostetussa Journal of High Energy Physics -lehdessä kesällä 2019. Todisteita sähkövarauksellisten Higgsin bosonien olemassaolosta ei saatu, mutta tulokset jättävät tilaa mahdollisuudelle, että etsitty signaali nousisi näkyviin, kun tulevaisuudessa analysoidaan suurempi määrä dataa. Laadin väitöstutkimukseni osana kansainvälistä tutkijaryhmää, jossa oli Fysiikan tutkimuslaitoksen tutkijoiden lisäksi mukana fyysikoita mm. Massachusetts Institute of Technology -yliopistosta Yhdysvalloista, Kyprokselta ja Meksikosta.

Vuonna 2012 löydetty Higgsin hiukkanen oli niin kutsutun hiukkasfysiikan standardimallin viimeinen puuttuva palanen. Standardimallin ajatellaan olevan osa laajempaa, toistaiseksi tuntematonta teoriaa. Monet luonnokset tällaisesta teoriasta sisältävät sähkövarauksellisia Higgsin bosoneita, joten niiden löytyminen viitoittaisi tietä kohti laajempaa teoriaa.

Väitöskirjan tekeminen hiukkasfysiikasta on auttanut minua ymmärtämään, kuinka jännittävää aikaa elämme tieteen näkökulmasta: tiedämme luonnosta enemmän kuin koskaan ennen, ja samalla ymmärrämme kuinka vähän oikeastaan tiedämme. Edistyneen teknologian ja kansainvälisen yhteistyön ansiosta ihmiskunnalla on kuitenkin käsissään avaimet yhä laajempaan ymmärrykseen.

Energia muuttuu aineeksi

LHC-hiukkastörmäytin sijaitsee 27 kilometrin ympyrätunnelissa Geneven lähellä, Sveitsin ja Ranskan rajalla. LHC:ssa protoneita, eli vetyatomien ytimiä, kiihdytetään tyhjiöputkissa hyvin lähelle valonnopeutta. Vastakkaisiin suuntiin kulkevat protonisuihkut ohjataan törmäämään toisiinsa. Törmäyksessä vapautuvasta energiasta voi syntyä uusia hiukkasia, kuten Higgsin bosoneita. Tätä energian muuttumista massaksi kuvaa Einsteinin kuuluisa yhtälö E=mc².

Suomalaiset tutkijat ovat mukana törmäyksiä mittaavassa CMS-kokeessa, jolla kerättiin myös väitöskirjassani käytetty data. CMS on kerrostalon kokoinen koelaitteisto, joka mittaa törmäyksissä syntyneiden hiukkasten aiheuttamia signaaleja. CMS-koe on kansainvälinen yhteistyöhanke, jossa on mukana olevat n. 3000 tutkijaa ja yli tuhat insinööriä työskentelevät 231 tutkimuslaitoksessa ympäri maailman. Fysiikan tutkimuslaitos koordinoi Suomen osallistumista CMS-kokeeseen.

Koneoppimisesta tehoa data-analyysiin

Väitöskirjassa analysoitu data kerättiin vuoden 2016 kokeissa. Sen jälkeen uutta dataa on kerätty kolminkertainen määrä. Uuden datan analysointi on parhaillaan käynnissä.

Samalla tutkimusryhmämme Helsingissä kehittää yhä tarkempia menetelmiä datan seulomiseen. Käytämme esimerkiksi uusimpia koneoppimismenetelmiä erottelemaan eri tyyppisiä törmäystapahtumia toisistaan. Viime vuosina kerätyssä datassa riittääkin analysoitavaa vielä pitkäksi aikaa, ja 2021 alkaen LHC:ssa törmäytetään protoneja todennäköisesti entistäkin suuremmalla energialla.

Lisätietoja väittelijältä:
Alkeishiukkasfysiikan tutkija, FT Santeri Laurila, Helsingin yliopisto, 044 2630 995, santeri.laurila@helsinki.fi

Linkki väitöskirjaan: https://helda.helsinki.fi/handle/10138/305652
Linkki Journal of High Energy Physics -lehden artikkeliin: https://arxiv.org/abs/1903.04560

Santeri Laurila