Kivikuvun alla
Koeryhmän ANAIS edustaja Susana Cebrián Zarazogan yliopistosta Espanjasta puhui eilen Helsingin yliopiston kosmologiaseminaarien sarjassa viime kuussa julkistetuista tuloksista pimeän aineen jahdissa. Hän oli Helsingissä joulukuussa 2019 kertomassa ensimmäisistä mittauksista, ja antoi nyt etänä päivityksen, kun niiden tilastollinen merkitys alkaa olla huomattava.
Monet koeryhmät ovat etsineet pimeän aineen hiukkasta, mutta vain yksi väittää löytäneensä sen: DAMA/LIBRA. Kirjoitin yksityiskohdista täällä kolme vuotta sitten. Kokeen idea on yksinkertainen: eristetään koepala häiriöistä ja katsotaan, näkyykö siinä merkkejä törmäyksistä pimeän aineen kanssa.
Jos pimeää ainetta on olemassa, Maa kulkee pimeän aineen pilven läpi liikkuessaan Linnunradan keskustan ympäri. Tämän takia lävitsemme pyyhältää pimeän aineen hiukkasia noin 200 km/s nopeudella. Joskus pimeän aineen hiukkaset törmäävät tavallisen aineen hiukkasiin. Tämä on yksittäiselle hiukkaselle harvinaista, koska ne vuorovaikuttavat tavallisen aineen kanssa heikosti. Mutta jos katsoo tarpeeksi isoa kasaa hiukkasia tarpeeksi kauan eikä pimeän aineen vuorovaikutus ole liian heikko, niin näkee törmäyksiä.
Törmäys voi potkaista elektronin pois atomista, saada sen säihkymään valoa ja tärisyttää ainetta, jossa atomi on kiinni. On kuitenkin kaikenlaista kohinaa, joka saa aikaan tällaisia ilmiöitä muutenkin, kuten radioaktiivisten ydinten hajoaminen.
DAMA/LIBRA pyrkii erottelemaan signaalin kohinasta tarkastelemalla törmäysten vaihtelua vuoden aikana. Koska Maan nopeus Auringon ympäri on noin 30 km/s ja sen suunta muuttuu vuoden ympäri, pimeän aineen nopeus meidän suhteemme vaihtelee vuoden aikana noin 10%. Kun menemme pimeän aineen tuulta vastaan, pimeän aineen hiukkasia tulee vastaan tiuhemmin, ja myötätuuleen kulkiessa niitä tulee harvemmin.
DAMA/LIBRA näkee tällaisen vaihtelun vuodenaikojen myötä todennäköisyydellä, joka noin kaksikymmentä miljardia miljardia miljardia miljardia vastaan yksi. Maksimi on vieläpä juuri silloin kuin pimeältä aineelta odottaisi, 2. kesäkuuta. Tulos näyttää yksinään vakuuttavalta, mutta mikään muu koeryhmä ei ole onnistunut toistamaan sitä.
Kolme vuotta sitten totesin, että tämä ei ole ratkaisevaa, koska muut kokeet ovat käyttäneet erilaisia koemateriaaleja. On mahdollista, että pimeä aine vuorovaikuttaa eri tavalla eri alkuaineista koostuvan tavallisen aineen kanssa niin, että se näkyy DAMA/LIBRAn natriumjodidikristallissa, mutta ei esimerkiksi koeryhmän XENON1T nestemäisessä xenonissa.
Nyt tilanne on muuttunut. ANAIS käyttää samanlaista natriumjodidikristallia kuin DAMA/LIBRA, joten ei ole mitään syytä, miksei se näkisi samaa signaalia, jos kyseessä on pimeä aine. ANAIS-kokeessa on pyritty riippumattomasti muutenkin toistamaan DAMA/LIBRAn koejärjestely, ja huolella hallitsemaan virhelähteet.
Kokeessa on 112.5 kiloa natriumjodidikristallia suojakerrosten alla tarkkaan eristettynä Canfrancin laboratoriossa Pyreneiden vuoriston kivikuvun alla. On tärkeää sijoittaa koe kiven alle, koska taivaalta tuleva säteily on merkittävä kohinan lähde. Kun kosmiset säteet (eli nopeasti liikkuvat protonit ja muita kevyet ytimet) iskeytyvät ilmakehän atomeihin, syntyy hiukkassuihkuja, erityisesti myoneja, joita menee lävitsemme koko ajan. Myonien lukumäärä vaihtelee vuodenajan myötä: ilman tiheys riippuu lämpötilasta, ja mitä tiheämpää aine on, sitä enemmän kosmiset säteet siihen törmäävät.
Vaikka ANAIS on vuoren suojassa, koeryhmä erikseen mittaa myonien määrän. Samoin se seuraa kosteutta, painetta, lämpötilaa, ympäristön radioaktiivisuutta ja koepalan sisältä tulevaa radioaktiivisuutta ja muita ajan myötä muuttuvia tekijöitä.
Kokeen herkkyydestä kertoo jotain se, että yksi huomioitava virhelähde on se radioaktiivisuus, mikä syntyy kosmisten säteiden osuessa koepaloihin tai -laitteisiin matkalla niiden valmistuspaikasta laboratorioon. Tämä tosin vaimenee tilanteen rauhoituttua maan alla.
ANAIS aloitti datan keräämisen elokuussa 2017, ja koeryhmä on nyt käynyt ensimmäisen kolmen vuoden mittaukset. On helppo tiivistää tulos: ANAIS ei näe mitään signaalia. Todennäköisyys sille, että tämä on sattumaa ja DAMA/LIBRA on oikeassa, on noin yksi sadasta. Ryhmä kerää dataa vielä yhteensä kahden vuoden verran, jonka jälkeen todennäköisyyden odotetaan laskevan noin tekijään 1:400. Sen jälkeen ryhmä aikoo päivittää koelaitteistoa, jotta todennäköisyys saadaan niin alas, että DAMA/LIBRAn tulos on poissuljettu järkevän epäilyn tuolle puolen.
ANAISin lisäksi koe COSINE-100 on mitannut pimeän aineen mahdollisia törmäyksiä Etelä-Koreassa vuodesta 2016 alkaen. Se on julkistanut vasta ensimmäisen 1.7 vuoden mittausten tulokset, eivätkä ne riitä DAMA/LIBRAn näkemän vuodenaikojen vaihtelun varmistamiseen tai poissulkemiseen. Koe nimeltä SABRE pyrkii aloittamaan mittaukset samaan aikaan Australiassa ja Italiassa Gran Sasson kaivoksessa, missä DAMA/LIBRAkin on, käyttäen pallonpuoliskojen eri vuodenaikoja ympäristötekijöiden erottelemiseen. Gran Sassoon on menossa myös COSINUS, jossa ovat Helsingin yliopistolta mukana Matti Heikinheimom Alex Stendahl ja Kimmo Tuominen. Kaikki nämä kokeet käyttävät natriumjodidikristalleja, kuten DAMA/LIBRA.
Olen kosmologiaa luennoidessani käyttänyt DAMA/LIBRA-tuloksia esimerkkinä siitä, miten läpimurrot näyttävät usein selviltä vasta jälkikäteen. Tutkimuksen eturintamalla ei usein tiedetä, milloin yllättävät tulokset ovat merkkejä teoreettisen ymmärryksen puutteesta (tässä tapauksesta siitä, miten pimeän aine vuorovaikuttaa), ja milloin kyse on puutteista havainnoissa tai niiden tulkinnassa. Yksi koe ei välttämättä riitä teorian varmistamiseen tai kumoamiseen, koska molempiin liittyy kaikenlaisia oletuksia, jotka otetaan tarkempaan syyniin vasta kun asiat eivät menekään odotetulla tavalla.
Vaikka DAMA/LIBRAn väitettyä pimeän aineen havaintoa ei ole vielä täysin tyrmätty, ANAIS on antanut sille aikamoisen iskun, ja harva enää odottaa sen nousevan kanveesista.
Nyt en ymmärrä jotain. Tunteehan pimeä aine painovoiman, eikö sekin siis ajaudu kiertämään Linnunradan keskustaa näkyvän aineen tavoin?
..vai onko kyse siitä, että se voi vuorovaikutuksen puutteen vuoksi kierrellä painovoimakeskusta täysin epäyhtenäisesti..?
Aivan oikein. Näkyvä aine kiertää Linnunradan keskustaa yhtenäisesti, koska se vuorovaikuttaa itsensä kanssa (kaasupilvet työntävät toisiaan).
Pimeän aineen vuorovaikutus itsensä kanssa on niin heikko, että se ei muodosta samanlaisia yhtenäisiä kokonaisuuksia, vaan hiukkaset kiertävät kukin minne sattuu. Niinpä hiukkaset ovat keskimäärin levossa Linnunradan kanssa, toisin kuin Aurinkokunta.
Tämä ei ei täysin totta. Pimeä aine klimppiytyy kyllä gravitaation takia jonkin verran, ja siinä voi olla paikallisia virtauksia. Näiden vaikutusta pimeän aineen havaitsemiseen on tutkittu, ja yllä mainittu kuva on suurin piirtein totta.
Tuli mieleen, että jos pimeän aineen hiukkaset voivat muodostaa yhdisteitä, kuten näkyvä aine, niin silloinhan pimeiden hiukkasen havainnot/vuorovaikutukset voivat olla täysin mielivaltaisia. Onko siis mahdollista erottaa ”näkyvän ympäristön” satunnaishäiriöt ”pimeän ympäristön” häiriöistä, jotka voivat ilmeisesti olla myös satunnaisia?
Pimeän aineen hiukkasten sidotut tilat on yksi mahdollisuus, jota on tutkittu DAMA/LIBRAn ja muiden kokeiden välisen ristiriidan selittämiseksi. Vaikka tämä onnistuisi, se ei selittäisi DAMA/LIBRAn ja ANAISin välistä ristiriitaa.
Havainnot rajoittavat vahvasti sitä, miten voimakkaasti pimeä aine voi vuorovaikuttaa itsensä kanssa.
Teorioista voi tehdä miten monimutkaisia tahansa, mutta jonkin pisteen jälkeen se ei ole enää hedelmällistä. Ks. https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/edistys-ja-rappio/
Käsittääkseni mitään todentavaa tutkimusta ei ole siitä, että pimeän aineen halon liikemäärä olisi riippumaton tavallisesta aineesta – oikeastaan päinvastoin.
https://arxiv.org/pdf/2104.10123
Uutta tutkimusta siitä kuinka ”tidal field” on ehkä merkityksellistä kaikenkokoisissa haloissa.
Tuo artikkeli käsittelee pimeän aineen simulaatioita. Ei siis pimeän aineen ja tavallisen aineen suhdetta, eikä havaintoja.
Tämä riittäköön tästä.
Yleisen suhteellisuusteorian ratkaisuissa saattaa piillä vielä kovastikin vastauksia pimeän aineen luonteeseen.
https://link.springer.com/content/pdf/10.1140/epjc/s10052-021-08967-3.pdf
Tässä tuore laskelma frame-dragging-mekanismin mahdollisuuksista. Tulkinnanvaraisuuksia on suuntaan jos toiseenkin.
Yleinen suhteellisuusteoria + tavallinen aine ei selitä havaintoja. Asia on järkevän epäilyn ulkopuolella.
On mahdollista, että pimeää ainetta ei ole, vaan gravitaatiolaki on erilainen kuin yleisessä suhteellisuusteoriassa. (Kollegani Constantinos Skordis hiljattain juuri puhuikin aiheesta kosmologiaseminaarien sarjassamme.) Toistaiseksi ei kuitenkaan ole yhtäkään tällaista mallia, joka selittäisi kaikki havainnot, kun taas pimeä aine on selittänyt ja ennustanut havaintoja onnistuneesti.
Onko olemassa näyttöä, että pimeän aineen pitää muodostua hiukkasista? Kysymyksellä tarkoitan sitä, että voiko pimeä aine olla itse avaruuden rakenteessa olevaa epätasaisuutta, ts avaruus olisi taipunut energiasta tai aineesta riippumatta.
Älyllisesti ratkaisu olisi vähän laiska, koska kateissa olevan hiukkasen voisi aina selittää näin (muistuttaisi tietyllä tavalla multiuniversumi-teoriaa). Ja ovatko teoreettiset mallit (oletan että näillä olettamalla tehtyjä teorioita on rakennettu) merkittävästi nykyistä standardimallia/suhteellisuusteoriaa kompleksisempi?
Kuten yllä kirjoitan:
”On mahdollista, että pimeää ainetta ei ole, vaan gravitaatiolaki on erilainen kuin yleisessä suhteellisuusteoriassa. (Kollegani Constantinos Skordis hiljattain juuri puhuikin aiheesta kosmologiaseminaarien sarjassamme.) Toistaiseksi ei kuitenkaan ole yhtäkään tällaista mallia, joka selittäisi kaikki havainnot, kun taas pimeä aine on selittänyt ja ennustanut havaintoja onnistuneesti.”
Tarkemmin, ks. https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/luodin-jaljet/
Yllättävää, että ei ole löytynyt teoreettista mallia, joka periaatteellisella tasolla selittäisi poikkeamia, ei edes malleja, jotka ”väkisin runttaamalla” pystyisi nykyisiä havaintoja selittämään. Mutta tunnetusti mikään ei ole mahdotonta kun ei itse tarvitse tehdä.
Joka tapauksessa näin maallikkona on erittäin mielenkiintoista seurata pimeän aineen tutkimusta. Kun ratkaiseva vinkki voi tulla niin monesta paikasta (hiukkaskiihdyttimet, gravitaatiomittaukset,, kaivoksiin rakennetut hiukkasten havaintomittarit yms) ja kun teoreettinen tutkimus ei ole löytänyt oikeita palasia (kenties matematiikka kehittynyt riittävälle tasolle). Toivottavasti ratkaisu kuitenkin löytyy seuraavan 50 vuoden aikana, olisi ikävä jos ei sitä pääsisi itse näkemään.
On helppo ymmärtää, miksi on vaikeaa keksiä gravitaatiolakia, joka selittäisi kaikki pimeän aineen selittämät havainnot. Gravitaatio riippuisi tällöin vain tavallisen aineen jakaumasta. Pimeän aineen jakauma (joka selittää havainnot ja jonka mallit ennustavat) ei kuitenkaan seuraa näkyvän aineen jakaumaa. Pitäisi siis saada tavallisen aineen gravitaatiokenttä levittäytymään tavalla, joka ei noudata näkyvän aineen jakaumaa.
Jos taas ajatellaan jonkinlaisia näkyvästä aineesta riippumattomia aika-avaruuden tihentymiä, niin ne ovat mahdollisia: toisin sanoen, pimeä aine voi koostua mustista aukoista.
Sabine Hossenfelder kirjoittaa uusimmassa postauksessaan, Backreaction -blogissaan, pimeästä aineesta ja modifioidusta gravitaatiosta.
Hän luettelee nipun havaintoja, jotka puoltavat uutta gravitaatioteoriaa ja toisen nipun havaintoja, jotka puoltavat pimeää ainetta.
Johtopäätöksenään hän esittää, että dikotomia näiden kahden välillä on virheellistä ajattelua ja yksi syy, miksi edistystä ei tapahdu.
Tarvitaan sekä pimeää ainetta että muokattu gravitaatio, jotta kaikki havainnot voidaan selittää. Ongelma vain on, kuinka ne yhdistetään.
Onko Syksyllä jotain näkökulmaa näihin puheisiin?
Ei pidä paikkaansa, että havainnoista voisi päätellä, että molempia tarvitaan. Osa hänen mainitsemistaan pimeän aineen ongelmista eivät ole ongelmia, toisten kohdalla on epäselvää, miten pimeä aine ne selittää (vai selittääkö), koska galaksien dynamiikka on monimutkaista.