Teaduses ei ole absoluutset tõde, on vaid eksperimentaalset kinnitust leidnud tõepärasus

Marek Strandberg

Keemilise ja bioloogilise füüsika instituudi ja CERNi teadurid Andi Hektor ja Kristjan Kannike kommenteerivad Tiit Kändleri arvustuses toodud väiteid. Tiit Kändler: „Väidetakse ju ometi siiani, et leiti Higgsi osakesega sarnane osake, eks ole. Ja ei ole vastatud järgmistele küsimustele. Miks on see, mis väidetavalt leiti, nõnda kerge? Ja miks tundus mitte just liiga hiljuti, et leitud osakesi – või resonantse? – oli kogunisti kaks? Miks pole supersümmeetriat, see tähendab, aina uusi ja uusi osakesi, mis peaksid nagu sukk ja saabas kaasnema olemasoleva standardmudeli osakestega ja mis nendele küsimustele väidetavalt vastab, ikka veel leitud halli märkigi?” Andi Hektor: LHC mõõtmistulemuste avaldamine toimus kahes jaos. Kui sai selgeks, et tegemist on „Higgsi-sarnase osakesega”, siis see ka täpselt selles sõnastuses avaldati. See toimus eelmise aasta sügisel. Käesoleva aasta kevadeks on kogutud juba nii palju uusi andmeid, et nüüd saab piisava statistilise tõenäosusega väita, et tegu on Higgsi bosoniga. Nüüd tuleb korraks sukelduda statistika sogasesse maailma, et seletada, mida tähendab osakestefüüsika keeles avastus. See ei tähenda mitte mingil juhul seda, et oleksid välistatud kõik hüpoteetilised alternatiivid! Lähtudes rangelt sageduslike statistikute (frequentists) maailmapildist ei ole see põhimõtteliselt mitte kunagi võimalik! Põhjus on lihtne: me ei saa hüpoteesile külge panna tõenäosust. Me saame vaid kontrollida, millise tõenäosusega on iga konkreetne hüpotees tõene või vale. Seega, alati võib keegi nupukas teoreetik välja pakkuda uue hüpoteesi, mis seletab LHC detektori mõõtmistulemusi veel paremini kui Higgsi boson! Aga seni ei ole sellist hüpoteetilist osakest (või osakesi) välja pakutud. Seega, osakestefüüsikud nimetavad LHC poolt mõõdetud kühmukesi mõõtmistulemustes Higgsi bosoniks senikaua kuni statistiliselt paremat alternatiivi ei ole. Kui tekib, siis loomulikult plaksutaksid kõik füüsikud käsi, v.a Peter Higgs, ja selle teooria väljapakkuja saaks kindlasti Nobeli – kui ta enne ära ei sure – ning igavese aupaiste füüsikute maailmas!

Kahe resonantsi juttu ei ole ma ise tähele pannud. Kui andmeid veel vähe oli, siis pakuti välja vähemalt paarkümmend – kui mitte rohkem – alternatiivi Higgsile. Võib-olla oli kahe resonantsi väite põhjus selles, et alguses olid kahe LHC detektori tulemused Higgsi bosoni massi osas veidi nihkes. See probleem lahenes, kui andmeid juurde tuli.

Nüüd supersümmeetriast. Supersümmeetria on hüpoteetiline teooria, mis pole osa standardmudelist. See pakuti välja 1970ndatel, et seletada mõningaid probleeme, mis on seotud standardmudeliga – ennekõike seletamaks Higgsi bosoni massi väiksust. Sellele probleemile on väga palju alternatiivseid lahendusi.

Pole ka täiesti selge, kas seda probleemi üldse tegelikkuses eksisteerib. Nimelt, Higgsi massi probleem ehk hierahia probleem eksisteerib vaid siis, kui eksisteerivad väga rasked hüpoteetilised osakesed, mis omaksid piisavalt tugevat interaktsiooni Higgsi bosoniga. Samal ajal ei ole ju mingeid andmeid neist hüpoteetilistest osakestest! On olemas mudelid, mis väidavad, et füüsikalist maailma saab ilusti kirjeldada ka ilma nende raskete osakesteta. Need ei ole küll osakestefüüsika peavoolu mudelid, aga neid pole siiani suudetud ka ümber lükata.

Kristjan Kannike: Alguses öeldi ettevaatlikult „Higgsi-sarnane” osake, nüüd on andmeid kogunenud juba nii palju, et võib rääkida, et avastati Higgsi osake. See tähendab osakest, mis on seotud teistele standardmudeli osakestele massi andmisega ja mille vastastikmõjud nendega on samasugused nagu standardmudelist ennustatud. Tõsi, LHC suudab neid kindlaks teha vaid kuni 15% veaga, kuid kõiki andmeid kombineerides võib öelda, et avastatud osake on kindlasti Higgs.

Esialgne võimalik teine resonants veidi kõrgemal massil oli signaali juhuslik kõikumine, mis praeguseks, kui andmeid on märksa rohkem, on ära kadunud. See kõikumine oli nõrk ja keegi ei arvanud, et seal on kindlasti uus osake.

Miks on Higgs nii kerge? See on lausa Nobeli auhinna küsimus. Üks võimalus on kahtlemata supersümmeetria, mis – kuigi lihtsamad supersümmeetrilised mudelid on juba raskustes – suudab siiski Higgsi osakese kergust seletada, ilma et uusi osakesi veel näha oleks. On ka alternatiivseid lahendusi, mida me raamatus lühidalt mainime, näiteks, et Higgsi osake on liitosake. Võib-olla pole ka raskeid osakesi, mis Higgsi massi suureks ajaksid, lihtsalt olemas. Või on veel mõni võimalus, mille peale teadlased ei ole veel seni tulnud. Neist me raamatus arusaadaval põhjusel ei räägi.

Tiit Kändler: „Miks ei kõnele autorid, et San Sasso ja CERNi suurepärane koostöö paljastas neutriino ülevalguskiirusega liikumise, millest tehti suur kisa ja kära ning mis sumbus olematusse. Isegi vabandust ei palunud peadirektor Heuer ja Co. Miks ei kõnelda raamatus, et ameeriklaste Fermilab määras juba ammu enne CERNi kindlaks, millistes energiavahemikes tasub nn Higgsi osakest otsida. Jäetakse mulje, et prootonite superpõrked leiutaski LHC nagu vene Polzunov aurumasina. Miks on nende toodud maailma osakesefüüsika kaardil, kus on ka kuulsusrikas San Sasso, puudu Fermilab?”

Andi Hektor: Teaduse ajalugu on täis sadu ja sadu „avastusi”, mis hiljem ümber lükatakse. Kui vaatan oma lühikest teadlaskarjääri, siis osakestefüüsikas on vahest üks-kaks sellist „avastust” aastas. Ükski tõsine teadlane ei usu ühtki avastust enne, kui see on vähemalt ühe sõltumatu eksperimendi poolt kontrollitud. Veel parem, kui mitme poolt. Iga teaduse eesliinil töötav eksperiment on unikaalne ja see on paratamatu, et teadlased ei suuda hinnata kõiki vigu, mida sellised vägagi unikaalsed aparaadid teevad. Lisades sinna juurde veel kõikvõimalikud inimlikud vead, siis on selge, et üht avastust ei maksa küll kohe uskuma hakata.

OPERA eksperimendi (vigase) tulemuse ainuke eripära on ehk selles, et meediakära oli selle ümber kõvasti üle keskmise. Keda nüüd siis selles süüdistada ja kes peaks vabandama? Kas tõesti härra Heuer? Sel juhul peaksime aastas kuulma sadu vabandusi kõikvõimalike laborite ja ülikoolide juhtidelt, et nende teadlased on jälle midagi kokku soperdanud. Kas olete kuulnud mõnel pressikonverentsil küsimust: „No-nii, väga austatud rektor Volli Kalm, millised on Tartu ülikooli teadlaste tulemused, mis eelmise aasta jooksul said ümber lükatud? Ärge üldse üritagegi ennast välja keerutada! Miks te nüüd nii virilat nägu teete?! Palume teil meie ees vabandada!”

Loomulikult oli Fermilabi tulemus oluline (sealset Tevatroni kiirendit mainime korduvalt). Ometi oli sama oluline ka LEPi ja kõigi eelnevate eksperimentide panus! See on autorite tõesti subjektiivne otsus keskenduda vaid uusimatele tulemustele ja eksperimentidele. Tegu on aimeraamatu(kesega), milles on faktimaterjali niigi kõvasti üle keskmise.

Mis puutub maailmakaarti, siis seal on vaid viimases peatükis pikemalt käsitletud eksperimendid. Autoritel ei olnud plaanis kaardistada kogu maailma osakestefüüsikat. Vabandame väga, kui kusagilt selline mulje jäi. Järgmises täiendatud trükis teeme Google-Earth-tüüpi kaardi, kus saab sisse suumida ja igasuguseid eksperimente juba lähedalt ka vaadata.

Prootonpõrgati küsimus. Kust kohast küll selles raamatus võis jääda mulje, et see LHC juures välja mõeldi? Paluks viidet raamatust! Autorid on osakestefüüsikutena igati teadlikud, et antud tehnoloogia on pärit 1970ndatest, idee ise palju varasemast ajast. Juba 1940ndatel unistati põrgatite loomisest.

Kristjan Kannike: „Ülevalguskiirusega neutriino” põhjuseks osutus lõpuks lahtine kaabliots katseseadme küljes. Tegu oli väga keerulise katsega ja peab rõhutama, et ka OPERA teadlased ise ei väitnud, et on kindlalt avastanud, et neutriino liigub valgusest kiiremini, vaid nad ütlesid, et selline on nende tulemus ja nad on kontrollinud kõiki vigu, mille peale nad tookord suutsid mõelda. Et nad korraldasid selleks pressikonverentsi, oli nende valik. Esialgseid eksperimentaalseid tulemusi, mis rohkemate andmete kogumisel ära kaovad, on nii palju, et nendest saaks omaette raamatu. Minu teada pole aga olnud ühtegi avastust teaduslikus mõttes, s.t piisava statistilise kindlusega signaali, mis oleks hiljem ära kadunud. Kõik ärakadunud signaalid on olnud nõrgad ja väiksema statistilise kindlusega.

Väide, et „ameeriklaste Fermilab määras juba ammu enne CERNi kindlaks, millistes energiavahemikes tasub nn Higgsi osakest otsida”, ei ole just eriti täpne. Milline oli asjade seis näiteks 2011. aasta märtsis, veidi aasta enne avastuse väljakuulutamist? LEP-kiirendi oli juba 2001. aastal pannud Higgsi bosoni massile eksperimentaalse alampiiri 115 GeV. Tevatron esitas just 2011. aasta märtsis Moriondi konverentsil tulemuse, et Higgsi bosoni mass välistati vahemikus 158 GeV–175 GeV, s.t sellise massiga standardmudeli Higgsi bosonit ei ole olemas. See massivahemik on aga vaid paar protsenti standardmudeliga kooskõlalisest vahemikust kuni ligikaudu 1000 GeV. Lõviosa piirkonnast 115 GeV–1000 GeV pidid LHC detektorid CMS ja ATLAS ise läbi kammima. Lõpuks nägid nad tõesti madala Higgsi massi juures väikest signaali, aga ainult tänu LHC avastusele teame tagantjärele, et tegu on tõesti märkidega Higgsist, mitte signaali tugevuse juhuslike kõikumistega. Fermilabi Tevatron oli omal ajal tubli kiirendi, kus avastati tipukvark, aga võrreldes LHCga jäi tal lihtsalt energiat väheks.

Osakestefüüsika eksperimentide kaardil ei ole ära toodud kõiki maailma osakestefüüsika laboratooriume, on ainult need, millest on juttu raamatu kolmandas osas.

Miks siis LHC suurema osa ajast jõude seisvat?

Andi Hektor: Tuletan meelde, et LHC inseneridele hingab kurjalt kuklasse seltskond närvilisi osakestefüüsikuid, kes nõuavad prootonite põrkeid, põrkeid ja veel kord põrkeid. Mida vähem on põrkeid, seda vähem on mõõtmisandmeid ja seda väiksem on tõenäosus sealt midagi uut ning huvitavat leida. Paljud neist teadlastest on veetnud terve elu LHCd planeerides ja ehitades (alustati juba 1980ndate lõpus) ning nad ei ole ealeski nõus laskma LHC-l jõude seista! Statistika mõttes võib ju võrrelda LHC ajakasutust varasemate hadronite põrgatitega ja ka siin suurt erinevust ei ole.

Hadronite põrgatite üldine häda on see, et need on kahjuks palju kapriissemad aparaadid kui keskmine kodumasin. Juba neid planeerides nähakse ette, et keskmiselt kaks-kolm kuud aastas neid hooldatakse pikemalt ja ülejäänud aja töötavad. Teine küsimus on, mida tähendab põrgati „töötamine”. Rangelt võttes, põrgati töötab füüsikute jaoks siis, kui seal prootonid ilusti ringi jooksevad ja piisavalt sagedasti põrkepunktides omavahel kokku põrutavad. Kiirendifüüsikud ütlevad sellise olukorra kohta, et põrgati on stabiilse kiirega. Kahjuks ei tähenda põrgati tööperiood seda, et seal oleks pidevalt stabiilne kiir. Tegelikkuses esineb lühemaid-pikemaid katkestusi, kui masin jääb näiteks üheks-kaheks päevaks ilma kiireta. Põhjusi on palju alates sellest, et kusagil kiirendi tunnelis hakkab mõni jahutustoru lekkima, mõni kümnetest tuhandetest ohuanduritest annab häiret jms. Mõnel juhul katkestab kiirendi töö automaatselt ja mõnel juhul otsustab selle ööpäev läbi tegutsev kontrollikeskus. Kui kiire väljalülitamine käib imekiiresti, siis stabiilse kiire saamine võtab aega tunde ja päevi. Kui tekib vajadus teha parandusi põrgati tunnelis, siis selleks on eraldi protseduurid: alates sellest, et tuleb pea ööpäev oodata, et jääkkiirgus langeks tunnelis piisavalt madalale tasemele, mõnes piirkonnas tuleb kasutada hapnikumaske, tunnel on 30 kilomeetrit pikk, aga seal all saab liikuda jalakäija kiirusega jms.

Kui küsimus puudutab parajasti toimuvat pikka hooldusperioodi, siis see oli LHC projekti sisse planeeritud. Põhjusi on palju: paljud detailid lihtsalt kuluvad, mõned detektorite komponendid kahjustuvad radioaktiivse kiirguse tõttu ja need tuleb välja vahetada, planeerimisel arvestati elektroonika arenguga, seega mõned komponendid saab vahetada välja paremate vastu jne. Siis plaaniti seda küll veidi lühemana, aga 2007. aasta õnnetuse tõttu ehitatakse ümber ka turvasüsteeme ja elektriühendusi. See nõuab lisaaega. Aega võtab ka see, et iga tehniline muudatus LHC juures vajab eriluba inseneride, teadlaste, ohutusspetsialistide ja rahastajate vastavatelt komisjonidelt.

Kristjan Kannike: LHC on viimasel kolmel aastal tugevasti töötanud ja jõude seismisest on asi kaugel. Nüüd aga pandi masin kaheks aastaks seisma, et valmistada ette tööks suuremal energial.

Miks seda vaja on? – Ülijuhtivates elektromagnetites, millega osakeste kimpu suunatakse, on väga tugev elektrivool. Ülijuhtivus tähendab, et juhtmetes ei ole elektritakistust. Kui ülijuhtivus kaob, tekib järsku takistus, elektromagneti vool muutub soojuseks ja võib teha palju pahandust. 2008. aastal nii ühes magneti ühenduskohas juhtuski. Siis otsustati, et pärast avarii parandamist lastakse kiirendil esialgu töötada poole võimsusega, et masin sisse töötada ja koguda ka esialgne hulk andmeid. Sest mida suurem vool, seda suurem on ka rikke tõenäosus. LHC on mitte ainult eksperimentaalse füüsika, vaid ka ülijuhtivate magnetite tehnoloogia viimane sõna ja uue tehnoloogia sissetöötamisel tuleb ikka ette ootamatusi.

Töötades prootonite põrke-energiaga esialgu 7 TeV ja siis 8 TeV, on LHC-l viimase kolme aasta jooksul läinud väga hästi. Kogutud on isegi rohkem andmeid, kui alguses loodeti, ja avastatud Higgsi boson. Selle aasta alguses pandi kiirendi kaheks aastaks seisma, et kõik magnetid ja nende ühenduskohad üle kontrollida. See võtab nii palju aega juba seepärast, et kõik magnetid tuleb absoluutse nulli lähedaselt temperatuurilt (–271,3 °C), mida on ülijuhtivuse tekitamiseks vaja, soojendada toatemperatuurile ja pärast uuesti maha jahutada. Pärast ühenduste kontrollimist ja võimalikke parandusi tuleb magneteid suurema voolu ja magnetvälja talumiseks ka „treenida”. Kahe aasta pärast läheb kiirendi käiku juba ligi kaks korda suurema energiaga.

Kui sulle meeldis see postitus jaga seda oma sõpradega

[LoginRadius_Share]
 

Leia veel huvitavat lugemist

Värske Rõhk
Hea laps
LR
Keel ja kirjandus
Akadeemia
Kunstel
Muusika
Õpetajate leht
Täheke
TeaterMuusikaKino
Vikerkaar
Looming