Martti Raidal: Higgsi osake tõi füüsikud maa peale

Foto: CERN

Higgsi osakese avastamine on fundamentaalfüüsikas viimase poole sajandi kõige olulisem saavutus, ent lõi jalad alt paljudel teooriatel, millesse füüsikud olid jõudnud kiinduda, räägib intervjuus Postimehele avastamises osalenud Eesti teadlaste töörühma juht, Keemilise ja Bioloogilise Füüsika Instituudi vanemteadur ja Tartu Ülikooli professor Martti Raidal.

Eelmise aasta juulis leidis Šveitsis asuv superkiirendi LHC viimaks kaua otsitud Higgsi bosoni. Seetõttu ei olnud vist kuigi suur üllatus, et tänavuse Nobeli füüsikapreemia said vanahärrad Peter Higgs ja François Englert, kes töötasid välja osakestele massi andva mehhanismi teoreetilise aluse.

Üllatus see tõesti ei olnud, tegemist on fundamentaalfüüsika viimase 50 aasta kõige olulisema asjaga. Probleem oli selles, et teooria eksperimentaalne kinnitamine võttis aega 50 aastat. Mehed jäid selle ajaga vanaks (Englerti kaasautor Robert Brout suri 2011. aastal – toim). Olen nende mõlemaga kohtunud, kõrgest vanusest hoolimata on nad väga ärksad.

Püüame veel korra lühidalt lahti seletada, mida Higgsi osake endast kujutab.

Millest asi 50 aastat tagasi algas? Oli küllaldaselt eksperimentaalset informatsiooni, et nõrka interaktsiooni vahendavad osakesed on massiivsed. Mitte selline nagu [massita valguseosake] footon, vaid pigem nagu raske valgus. Footon on sümmeetriaga osake ja selleks, et valgus raskeks teha, on vaja sümmeetria ära rikkuda. Oli olemas teooria, mis oskas seletada osakeste interaktsioone tänu sümmeetriatele, kuid ei osanud osakestele massi anda. Massi andev sümmeetria rikkumise mehhanism laenati tahke keha teooriast, ülijuhtide vallast.

Ilmus kolm artiklit. Englerti ja Brouti oma oli lihtsalt sümmeetria rikkumisest, seal ei olnud osakesest midagi. Peter ­Higgs oli see mees, kes ütles, et võib olla ka osake, mis nüüd avastati. (Kolmanda, hilisema artikli autorid olid Gerald Guralnik, C. R. Hagen ja Tom Kibble – toim.) Väidetavalt oli olnud nii, et kõik mehed kuulasid ühel konverentsil [Nobeli preemia laureaadi Philip Warren] Andersoni loengut, läksid koju ja tegid selle, mida Anderson rääkis, osakestefüüsika jaoks ära.

Higgsi osakese avastamisest on möödas 15 kuud. Mis on vahepeal osakestefüüsikas juhtunud, kas avastus on kuidagi muutnud mõtteviisi?

Kuna eksperimendiga teooriale järele jõudmine on võtnud 50 aastat, siis kogu selle aja on inimesed tööd teinud ja mõelnud välja omaenda teooriaid. Nad on harjunud sellega, et hinnangud, kelle teooria on parem ja kelle oma halvem, ei tulene mitte eksperimendist, vaid muudest kriteeriumitest, näiteks aadressi järgi: Harvardi teooria on parem kui Tallinna teooria.

LHC tõi kõik inimesed maa peale tagasi, näidates, et füüsika on eksperimentaalne teadus ja saadud tulemused on nagu on, hoolimata sellest, mida võisid mõelda. See tekitab paljudele inimestele tuska. Mitte ­ainult sellepärast, et nende suurepärased teooriad ei leidnud kinnitust, vaid taastus maailmapilt, mida tunneme «Surmatantsult»: ei ole vahet, kas sa oled keiser või kerjus, surma ees oled ikka samasugune.

Olete ka ise viimase pooleteise aasta jooksul kirjutanud mitu artiklit Higgsi osakese teemal. Mida need täpsemalt käsitlevad?

Meie seisukoht on väga lihtne: füüsika on eksperimentaalne teadus ja olulised on vaid eksperimendi tulemused. Nüüd tuleb töötada nende andmetega ja üks osa nendest artiklitest tegelebki Higgsi osakese parameetrite mõõtmisega. Teine tegevus on kõigi andmete kokkukogumine, vaatamaks, millised täpselt on osakese interaktsioonid. Need interaktsioonid piiravad kõiki uue füüsika teooriaid.

Nagu ühes teie artiklis oligi öeldud: ainus uus füüsika, mis meil on, on Higgsi osake.

Neljakümne aastaga on kogunenud igasugu paradigmasid, mida peetakse õigeks. Näiteks supersümmeetria ja ühendteooriad, mida on võimalik kooskõlaliselt formuleerida, kuid mille jaoks tekitab leitud Higgsi osakese mass tõsiseid probleeme. Nüüd ei ole teada, kuidas neid probleeme lahendada.

Milline oli eestlaste osalus Higgsi bosoni avastamiseni viinud LHC eksperimentides?

Higgs ja Englert said preemia tänu sellele, et Higgsi osake avastati. Selle Nobeli preemia teeb meie jaoks eriliseks see, et osalesime avastamises. See oli kümne aasta läbimõeldud töö. Eksperimentaalset osakestefüüsikat Eestis ei olnud, seda tuli hakata looma, leida inimesed, kasvatada tudengid. Ehitasime arvutuskeskuse, et andmeid hoida ja analüüsida.

Teema, mille algul välja pakkusime, on topeltlaetud Higgsi osakese otsimine. Nimi on sel sarnane, aga tegu on teistsuguse osakesega kui Higgsi boson. Otsisime seda eksperimendi kõige esimeste andmetega, millest Higgsi osakest ei saanud veel kindlasti leida. Meie otsitava signaali lõppolek on sama, mis Higgsi bosoni otsimisel. Kui esimese töö ära tegime, nägime, et olime selle konkreetse signaali alal eksperdid – sest küsimus pole ainult signaalis, vaid ka selle tausta analüüsis –, ja kolisime Higgsi osakest otsivasse rühma.

Meie panus Higgsi osakese avastamisse on ühe kanali, kus Higgs laguneb kaheks Z-bosoniks, taustade analüüs ja valideerimine, et asi, mida näeme, on õige. See on üks kahest kanalist, kus on võimalik Higgsi osakese massi mõõta. Kui seal tausta analüüsiga eksida, sest signaal on sellega võrreldes väga nõrk, siis tulebki vale tulemus.

Näiteks meie konkurendil [teisel Higgsi osakeste otsival LHC eksperimendil] ATLASel juhtuski, et kahe kanali massid tulid erinevad, nagu oleks leitud kaks osakest. Meil on eksperiment kooskõlaline, mis näitab, et tegime paremat tööd kui konkurent. Kui just ei tule välja, et ongi kaks osakest.

Eesti ei ole Euroopa Tuumauuringute Keskuse (CERN) liikmesriik, meie teadlased saavad sealsetes eksperimentides kaasa lüüa tänu koostöölepingule. Kas see on meie riigi väiksust silmas pidades optimaalne või peaksime siiski püüdlema liikmestaatuse poole?

Kui pidada optimaalseks raha kokkuhoidu, siis jah, rehepap­luse jaoks on praegune skeem kõige parem. Kui mõelda jätkusuutlikkuse peale, siis tõenäoliselt mitte. Liikmeks astumise protsess peab algama. Millal ja kuidas see lõpeb, on teine asi, aga see peab vähemalt algama.

Inimesed sageli ei tea, mida me seal teeme. Arvatakse, et CERN töötab omasoodu ja siis käivad mingid eestlased ka seal. Aga peale teadustöö tegeleme seal näiteks õpetajakoolitusega.

Järgmise aasta lõpus taaskäivitub LHC topeltvõimsusega. Kas füüsikud loodavad selle abil veel leida midagi uut?

Kes loodab, kes ei looda. Kui võtta teooria ja arvutada Higgsi massi alusel, siis see tulemus ütleb, et midagi rohkem leida ei ole. Alati on võimalus, et siiski leitakse, selleks kiirendi ongi ehitatud, et tuleks midagi ootamatut. Siis tuleb seda interpreteerida mõne teise teooriaga.

See on loodusteaduste olemus, et kui teed eksperimenti, siis ei tea, mis on tulemus. Me oleme õppinud mõtlema, et kõike on võimalik ennustada. See on vale mõtlemine. Kõigepealt tehakse eksperiment ja siis seda seletatakse, mitte vastupidi.

Kui Higgsi boson oligi viimane leida olev osake, kas osakestefüüsika ülesanne ongi nüüdsest vaid triikida välja viimase kortsud standardmudelist ülikonnast ja edaspidi Nobeli preemiatest vaid unistada?

See on täpselt see, mida räägiti rohkem kui sada aastat tagasi: et füüsikale on jäänud lahendada veel tillukesed probleemid ja siis on loodus teada. See on korra juba olnud ja lõppes kvantmehaanika tulekuga. Seekord on sama. Higgsi osakese inte­raktsioonid, millega kõik elementaarosakesed saavad massi, erinevad üksteisest vähemalt kuus suurusjärku. Pole ühtegi seletust, miks see niimoodi on. See on fundamentaalne sektor, kust tuleb seletus, miks on universumis ainet rohkem kui anti­ainet. Sellest on vaja aru saada, et seletada meie endi olemasolu. On olemas teooriad, aga eksperimentaalset kinnitust jällegi ei ole.

Ei ole eksperimentaalset kinnitust selle kohta, mis on tumeaine ning kas tavalise ­aine asümmeetria ja tumeaine on omavahel seotud. See on see suund, kuhu füüsika läheb.

Kas neile küsimustele vastamiseks peame ehitama veel võimsama kiirendi kui LHC?

Edasi tuleb liikuda targalt. Üks asi, mida kindlasti tuleb teha, on Higgsi interaktsioonide mõõtmine, milleks on vaja uut kiirendit. See ei pea olema nii suur kui LHC.

Teine valdkond on tumeaineeksperimendid, nii maa sees otsese mõõtmise jaoks olevad hästi tundlikud eksperimendid kui ka satelliitidel paiknevad ja kosmilisi kiiri mõõtvad seadmed. Siis kosmoloogilised vaatlused. Kuidas on universumi suureskaalaline struktuur seotud osakestefüüsikaga, sest lõpuks peab asjadele, mida näeme, olema füüsikaline seletus. Kust tuleb avastus, kes seda teab.

Tumeaine, selle salapärase aine kohta, mis moodustab umbes veerandi kogu universumi massist, aga mille kohta me midagi muud ei tea, ringleb viimastel aastatel ju pidevalt jutte, et kohe-kohe saame selle olemuse kohta esimese vihjeid.

Uus füüsika on alati ümber nurga, see on 50 aastat nii olnud. Ühel hetkel ta kas tuleb või ei tule, seda ei ole võimalik ennustada. Aga kuna tumeaine on olemas, siis tal peab olema mingi seletus. Küsimus on selles, kas otsime õigesti ja kas meie eksperimendid on õiged.

Ja kes iganes avastab, võib arvestada sõiduga Stockholmi?

Selles pole mingit küsimust.

Kirjutasite ka ise koos kolleegidega hiljuti artikli, mille teemaks on tumeaine supersümmeetria. Tume­aine olemuse kohta ei tea me midagi, supersümmeetria eksisteerib teooriana, kuid pole LHC andnud loodetud tõestust (vaata Marcus Kaevatsi artiklit «Supersümmeetria läheb eksamile» 16. veebruari AKst). Milleks tegeleda selliste nähtustega?

Probleem on selles, kuidas need teoreetilised mõtted, mis on tekitatud, teha selliseks, et need võiksid looduses olemas olla. Standardmudelis ehk meie maailmas on neile vähe kohta ja kõik probleemid tulevad sellest. Üks viis on tõsta olemasolevad ideed teise keskkonda ja vaadata, kuidas need seal töötavad. Näiteks, kas tumeainele üle tõstetud supersümmeetria lahendab probleeme või mitte.

Nüüd kui Higgsi boson on leitud, kuidas eestlastest eksperimentaatorite töö edasi läheb?

Tegime pärast Higgsi osakese avastamist omad järeldused ja otsustasime minna edasi. Üks asi on andmete valideerimine, Higgsi rühmas sellega tegeleb edasi Mario Kadastik. Suur osa meist on edasi läinud tipukvarki uurima. Tahtsime uurida ja mõõta asju, mis on päriselt olemas. Las supersümmeetriat otsivad teised inimesed.