Hiukkasfysiikka

Hiukkasfysiikka on fysiikan osa-alue, joka tutkii aineen ja säteilyn hienorakennetta ja niiden välisiä vuorovaikutuksia. Sitä kutsutaan myös suurenergiafysiikaksi, koska monet alkeishiukkaset eivät esiinny normaaleissa olosuhteissa. Niitä voidaan kuitenkin keinotekoisesti luoda ja tutkia hiukkaskiihdyttimillä.

Kokeellinen hiukkasfysiikka

Hiukkasfysiikan tärkeimmät tutkimuskeskukset ovat:

• CERN, sijaitsee Ranskan ja Sveitsin rajalla lähellä Geneveä. Sen tärkeimmät laitteet ovat LEP – suuri elektronien ja positronien törmäytin (pysäytettiin vuonna 2001, nyt purettu); SPS – Super Proton Synchrotron; LHC – Large Hadron Collider.
• DESY, jonka kokeellinen toiminta on keskittynyt Hampuriin Saksaan. Hampurin toimipisteen tärkein ja isoin hiukkastörmäytin HERA lopetti toimintansa kesäkuussa 2007 ja purettiin.
• SLAC, sijaitsee lähellä Palo Altoa, Yhdysvalloissa. Sen tärkein laite on PEP-II, joka törmäyttää elektroneja ja positroneja.
• Fermilab, sijaitsee lähellä Chicagoa, Yhdysvalloissa. Sen tärkein laite on Tevatron, joka törmäyttää protoneja ja antiprotoneja. Tevatron sammutettiin syyskuussa 2011.
• Brookhaven National Laboratory, sijaitsee Long Islandilla, Yhdysvalloissa. Sen tärkein laite on Relativistic Heavy Ion Collider, joka törmäyttää raskaita ioneja kuten kultaioneja ja protoneja. Heavy Ion Collider on ensimmäinen raskasionitörmäytin.
• Budker Institute of Nuclear Physics (Novosibirsk, Venäjä)
• KEK The High Energy Accelerator Research Organization of Japan, sijaitsee Tsukubassa, Japanissa. Se on monen mielenkiintoisen koejärjestelyn kotipaikka kuten K2K, neutriinojen oskillaation koejärjestely ja Belle, koejärjestely, joka mittaa B-mesonin CP-symmetrian rikkoontumisen.

Teoreettinen hiukkasfysiikka

Hiukkasfysiikan teoreettinen käsittely rakentuu kvanttimekaniikan ja suppean suhteellisuusteorian pohjalle. Perustyökaluna on kvanttikenttäteoria, josta eri vuorovaikutuksille on rakennettu omat versionsa. Kvanttikenttäteoriassa ainetta kuvataan fermionikentillä ja niiden välisiä vuorovaikutuksia välittävät bosonit.

Tyypillisin laskentamenetelmä on niin sanottu häiriöteoria, missä kunkin prosessin amplitudi lasketaan Feynmanin graafien avulla tuotetusta sarjakehitelmästä. Mitä useampia solmuja graafissa on, sitä pienempi on kyseisen graafin merkitys. Häiriöteorian laskut tuottavat hyvän arvion hiukkasreaktion todennäköisyydelle, jos vuorovaikutuksen kytkentävakio on pieni. Näin on sähkömagneettisissa ja heikoissa vuorovaikutuksissa. Vahvan vuorovaikutuksen osalta häiriöteoriaa voi käyttää suurilla energioilla, jotka vastaavat pientä etäisyyttä, mutta pienillä energioilla sarja hajaantuu eikä sitä voi käyttää.

Kirjallisuutta

Yliopiston oppikirjoja:

• Maalampi, Jukka; Perko, Tapani: Lyhyt modernin fysiikan johdatus. Helsinki: Limes, 2006. ISBN 951-745-213-6.
• Griffths, David: Introduction To Elementary Particles. Wiley, 1987. ISBN 0-471-60386-4. (englanniksi)

Yleistajuista kirjallisuutta:

• Carroll, Sean: Maailmanlopun hiukkanen: Miten Higgsin hiukkasen etsintä vie kohti uutta käsitystä maailmankaikkeudesta. (The Particle at the End of the Universe: How the Hunt for the Higgs Boson Leads Us to the Edge of a New World, 2012.) Suomentanut Tuukka Perhoniemi. Helsinki: Ursa, 2015. ISBN 978-952-5985-27-6.

• Karttunen, Hannu: Fysiikka. Tiedettä kaikille. Helsingissä: Tähtitieteellinen yhdistys Ursa, 2006. ISBN 952-5329-32-1.
• Schumm, Bruce A.: Syvällä asioiden sydämessä: Hiukkasfysiikan kauneus. (Deep down things: The breathtaking beauty of particle physics, 2004.) Suomentanut Kimmo Pietiläinen. Helsinki: Terra Cognita, 2006. ISBN 952-5202-91-7.

Aiheesta muualla

• Helsingin yliopisto; Uusi hiukkasfysiikan tulos pyrkii selittämään antiaineen puuttumisen maailmankaikkeudesta (14.11.2018)

• Itä-Suomen yliopisto – "Hiukkasseikkailu".
• Ylen Elävä arkisto: Higgsin hiukkanen on alkeishiukkasjahdin himoituin saalis.
• Huhtanen, Jouni: Sinnikkyys palkitaan. (Arkistoitu – Internet Archive) Kirja-arvostelu teoksesta Carroll, Sean: Maailmanlopun hiukkanen: Miten Higgsin hiukkasen etsintä vie kohti uutta käsitystä maailmankaikkeudesta. Ursa, 2015. (Agricolan kirja-arvostelut 27.4.2015)

Hiukkaset fysiikassa