Askel alkeishiukkasfysiikkaan

Alkeishiukkasfysiikka, englanniksi ”elementary particle physics”, määritellään fysiikan osa-alueeksi, jossa tutkimuksen kohteena ovat aineen pienimmät eli atomia pienemmät rakenneosaset, niiden ominaisuudet, käyttäytyminen ja keskinäiset perusvuorovaikutukset. Alkeishiukkasten keskinäisen vuorovaikutuksen mekanismia kutsutaan perusvuorovaikutukseksi. Perusvuorovaikutuksia on kolme: vahva-, heikko- ja sähkömagneettinen vuorovaikutus. Tässä artikkelissa tutustutaan tarkemmin siihen, mitä alkeishiukkaset ovat, kerrotaan hiukan hiukkasfysiikan historiasta sekä selvennetään missä alkeishiukkasfysiikkaa voi halutessaan opiskella.

Mitä ovat alkeishiukkaset?

Alkeishiukkanen on nimensä mukaisesti sellainen hiukkanen, joka ei ole muodostunut muista hiukkasista, eikä sillä näin ollen ole omaa sisäistä rakennettaan. Atomin osat ovat elektroni, protoni ja neutroni. Näistä protoni ja neutroni koostuvat vielä alkeellisemmista hiukkasista, joten ne eivät ole alkeishiukkasia. Elektroni puolestaan on alkeishiukkanen. Alkeishiukkaset jaetaan ominaisuuksiensa mukaan leptoneihin, kvarkkeihin ja mittabosoneihin. Näissä jako tapahtuu vielä materiaalihiukkasiin ja välittäjähiukkasiin.

Leptonit ja kvarkit kuuluvat materiaalihiukkasiin eli fermioneihin, ja mittabosonit ovat voimanvälittäjähiukkasia. Lisäksi leptoneilla ja kvarkeilla on olemassa antihiukkasia. Elektroni kuuluu leptoneihin, ja sen antihiukkanen on positroni. Positronilla on sama massa kuin elektronilla, mutta päinvastainen sähkövaraus. Leptonit, kvarkit ja mittabosonit kuuluvat alkeishiukkasfysiikan standardimalliin, jossa kuvataan materiaalihiukkasten välillä vaikuttavia voimia voimanvälittäjähiukkasten avulla, eli perusvuorovaikutusta alkeishiukkasten kesken. Bosoneita on standardimallissa useita.

Leptonit, kvarkit ja mittabosonit

Kuten aiemmin on todettu, elektroni kuuluu leptoneihin. Muita leptoneja ovat neutriino, tau ja myoni. Näiden antihiukkaset ovat nimeltään positroni, antineutriino, jonka olemassaolosta ei ole vielä täyttä varmuutta, antitau ja antimyoni. Kvarkkeja ja antikvarkkeja on yhteensä 12. Kvarkit on nimetty englanninkielisten alkukirjaimiensa mukaan: (up)u-kvarkit, (down)d-kvarkit, (charm) c-kvarkit, (strange) s-kvarkit, t-kvarkit ja b-kvarkit. Kaksi viimeistä voivat olla joko truth tai top ja beauty tai bottom.

Mittabosonit eli välittäjähiukkaset ovat standardimallin mukaan w-bosonit ja Z-bosoni, gluoni ja fotoni. Näistä fotoni välittää sähkömagneettista vuorovaikutusta sähkömagneettisille hiukkasille, kuten elektronille, ollen itse kuitenkin sähköisesti neutraali. Gluonien välittämän vahvan vuorovaikutuksen pystyvät tuntemaan gluonit itse sekä kvarkit. Vahvan vuorovaikutuksen tuntevat värivaratut hiukkaset. W- ja Z-bosonit ovat puolestaan heikon vuorovaikutuksen välittäjiä aiheuttaen radioaktiivisuutta, kuten beetasäteily. tämän vaikutuksen tuntevat kvarkit ja leptonit.

Alkeishiukkasten historiaa

Alkeishiukkasfysiikka on saanut alkunsa kosmisen säteilyn tutkimisesta, josta 1930-luvulla löydettiin positroni ja myoni. Kosminen säteily puolestaan on löydetty 1910-luvun alussa Victor Hessin toimesta. Esimerkiksi taivaalla näkemämme revontulet johtuvat kosmisesta säteilystä. Alkeishiukkasfysiikka on erkaantunut atomifysiikasta kuitenkin jo 1800-luvun lopulla ja ajatus kaiken aineen koostumisesta pienistä perusrakenneyksiköistä on tätä vielä huomattavastikin vanhempi, ollen peräisin aina kreikkalaisen filosofi Demokritoksen ajalta.

Demokritos alkoi kutsua ajatustensa mukaisia ikuisesti muuttumattomia hiukkasia, jotka olivat hänen mukaansa kaiken aineen koostumus, nimeltä atomos, joka tarkoittaa jakamatonta. Samaan tulokseen päätyi huomattavasti myöhemmin englantilaisfyysikko John Dalton 1800-luvun alussa. Elektronit astuivat kuvaan mukaan 1897, jolloin Joseph John Thomson teki katodisädekokeitansa. Hiukkaskiihdyttimien kehittämisen jälkeen uusia hiukkasia pystyttiin paremmin kehittämään ja löytämään, ja 50-luvulla otettiin käyttöön kvanttilukujärjestelmä, jolla hiukkaset pystyttiin erottamaan toisistaan.

Alkeishiukkasfysiikan haasteita tänä päivänä

Alkeishiukkasfysiikan jatkuvana haasteena on pystyä varmuudella sanomaan, että kyseessä on varmasti alkeishiukkanen eikä toisista hiukkasista koostuva kokonaisuus. Hiukkasfysiikan teorioita on jouduttu uusimaan tekniikan kehittymisen myötä ja uusia tutkimustuloksia ja löytöjä on tehty runsaasti. Aiemmin esitellyt standardimallin kolme perusvuorovaikutusta eivät pidä sisällään painovoimaa, vaikka se on yksi fysiikan neljästä perusvuorovaikutuksesta. Gravitaatio on vaikutukseltaan kaikkein heikoin, ja se vaikuttaa massallisiin hiukkasiin.

Toistaiseksi painovoimaa välittävää hiukkasta ei ole pystytty havaitsemaan, mutta sille on kuitenkin varattu nimi gravitoni. Teoreettisesti gravitoni on löydetty jo 1930-luvulla, mutta se on edelleen hypoteettinen löytö ja näin ollen sitä ei ole otettu mukaan standardimalliin. Gravitonin havaitseminen on kuitenkin ollut erittäin hankalaa. Yhdysvaltalaisella LIGO-havaintolaitteella on yritetty saada havaintoja vuodesta 1992. Vuonna 2016 tulleen tiedon mukaan gravitaatioaaltoja olisi havaittu.

Missä ja miten alkeishiukkasfysiikkaa voi opiskella?

Mikäli alkeishiukkasfysiikan opiskelu kiinnostaa, on Helsingin Yliopistossa mahdollista opiskella alkeishiukkasfysiikkaa maisteriohjelmassa, joka on kansainvälisesti arvoitu yliopistovertailuiden korkeimmalle tasolle. Opintosuuntaukseksi voi valita alkeishiukkasfysiikan ja kosmologian. Tässä opintosuunnassa voi syventyä joko kokeelliseen tai teoreettiseen hiukkasfysiikkaan. Kokeellisen hiukkasfysiikan haasteita aiheuttavat etenkin alati kasvavat datamäärät ja niiden käsittely. Opetuskielinä on pääosin englanti, mutta kurssien suorittaminen myös suomeksi tai ruotsiksi on mahdollista.

Opiskelijan vahvuuksina tulee olla analyyttiset laskentataidot, kyky toimia osana kansainvälistä opetus- ja tutkimusryhmää sekä hyvä numeeristen analyysimenetelmien hallinta. Maisteriohjelman opetus kestää 2 vuotta (120 opintopistettä). Opinnoissa on opintosuunnasta riippumaton perusosa, johon kuuluu myös tutkimusseminaari. Opintoja voi suorittaa itsenäisesti tenttimällä, osana ryhmätyöskentelyä, luennoin ja harjoitustehtäviä ratkaisemalla. Valmistuttuaan alkeishiukkasfysiikan parissa voi päästä työskentelemään joko suomessa tai ulkomailla esim. teollisuuden tai tuotekehityksen parissa.

Lopuksi

Suomessa on hyvät ja kansainvälisesti arvostetut mahdollisuudet opiskella alkeishiukkasfysiikkaa. Suomessa on myös järjestetty aiheeseen liittyviä seminaareja ja kursseja, kuten Cern-hiukkaskoulutus 2018 Tuusulassa, johon osallistui lähestulkoon sata fyysikkoa ympäri maailman, mukaan lukien suomalainen naisfyysikko Axi Holmström. Kokeellisten menetelmien tarkentuminen aiheuttaa jatkuvia muutoksia alkeishiukkasfysiikan teorioiden tulkintaan. Alkeishiukkasfysiikka on kiehtova tieteenala, ja sen ymmärtäminen auttaa käsittämään maailmankaikkeutta ja aineen mikroskooppista rakennetta.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *