Kun kuplat kohtaavat

18.9.2019 klo 19.07, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Yksi kosmologian keskeisiä kysymyksiä on se, miksi ainetta on olemassa. Onnistunein selitys on, että kaikki nykyinen aine syntyi ensimmäisen sekunnin pienen murto-osan aikana, kun kosminen inflaatio (eli avaruuden kiihtyvä laajeneminen) loppui ja sitä ajanut kenttä hajosi hiukkasiksi. Tästä seuraa yksi jatkokysymys: miksi kaikki näkemämme planeetat, galaksit ja muut rakenteet koostuvat aineesta, eivät antiaineesta?

Jos hiukkasella on sähkövaraus (tai johonkin muuhun vuorovaikutukseen liittyvä varaus), on olemassa antihiukkanen, joka on muuten samanlainen, paitsi että sen varaus on vastakkainen. Esimerkiksi negatiivisesti varattua elektronia vastaa positiivisesti varattu positroni. Kun hiukkanen ja antihiukkanen kohtaavat, ne tuhoutuvat eli muuttuvat toisiksi hiukkasiksi, usein enimmäkseen fotoneiksi ja neutriinoiksi.

Suurin osa maailmankaikkeuden aineesta on näkymätöntä eli pimeää ainetta. Ei tiedetä, millaisista hiukkasista pimeä aine koostuu, mutta suosituimmissa malleissa pimeää ainetta ja antiainetta on yhtä paljon. Niinpä hiukkaset ja antihiukkaset varhaisina aikoina tuhoavat toisiaan kiivaasti, kunnes maailmankaikkeuden laajenemisen takia ne eivät enää törmää toisiinsa, ja jäljelle jäänyt pieni osa alkuperäisistä hiukkasista muodostaa nykyisen pimeän aineen. Paikoissa, mihin gravitaation takia kertyy paljon ainetta, kuten galaksien keskustoissa, tuhoutumista voi kuitenkin vielä tapahtua, ja tämän voisi periaatteessa nähdä niistä hohkaavana valona. Kiistattomia havaintoja tästä ei toistaiseksi ole.

Näkyvän aineen kohdalla on toisin. Näkyvä aine koostuu elektroneista, protoneista ja neutroneista. Jos olisi aluksi yhtä paljon elektroneja ja positroneja (sekä protoneita yhtä paljon kuin antiprotoneita, ja neutroneita yhtä paljon kuin antineutroneita), niin näkyvää ainetta olisi jäänyt jäljelle miljardi kertaa vähemmän kuin mitä sitä nyt on. Ero pimeään aineeseen johtuu siitä, että näkyvä aine vuorovaikuttaa voimakkaammin: protonit ja antiprotonit vetävät toisiaan enemmän puoleensa kuin pimeän aineen hiukkaset ja antihiukkaset, joten ne myös tuhoavat toisensa tehokkaammin.

Niinpä jonkin varhaisen maailmankaikkeuden tapahtuman pitää saada aikaan enemmän näkyvää ainetta kuin antiainetta. Kun antiprotonit on kulutettu loppuun, pitää jäädä protoneita yli. Tälle tapahtumalle on annettu nimi baryogeneesi, baryonisen aineen synty. Baryoninen aine tarkoittaa ainetta, joka koostuu kvarkeista, kuten protonit ja neutronit. (Elektronit ovat yleensä sivustakatsojia tässä touhussa.)

Maailmankaikkeuden historiassa tunnetaan yksi tapahtuma, jossa aineen ja antiaineen välinen tasapaino voi järkkyä, nimittäin sähköheikko symmetriarikko. Siinä on kyse Higgsin kentän olomuodon muutoksesta.

Higgsin kenttä täyttää avaruuden ja antaa tunnetuille hiukkasille (paitsi ehkä neutriinoille) massat. Kuten vedessä on raskaampaa kävellä kuin ilmassa, Higgsin kentän läpi on raskasta matkata. Kun maailmankaikkeuden lämpötila on tarpeeksi korkea (miljoona miljardia astetta), Higgsin kenttä kuitenkin sulaa, eikä enää haittaa hiukkasten liikettä. Tai jos tarkastellaan asioita oikein päin ajassa, niin varhaisina aikoina Higgsin kenttä on sula ja sitten jäätyy.

Jäätyminen alkaa eri paikoissa eri hetkinä, joten avaruuteen syntyy kuplia, joiden sisällä kenttä on jäässä ja ulkopuolella se on vielä sula. Kuplat kasvavat ja hiukkaset törmäilevät niiden seiniin. Koska hiukkaset vuorovaikuttavat eri tavalla jäätyneen ja sulan Higgsin kentän kanssa, kuplien seinien tienoilla antiainetta muuttuu aineeksi. Lopulta kuplat kattavat koko avaruuden, eli Higgsin kenttä on jäätynyt kaikkialla, ja jäljelle jää enemmän ainetta kuin antiainetta.

Ideassa on pieni ongelma: jos on olemassa vain tunnetut hiukkaset, Higgsin kentän olomuodon muutoksessa ei synny kuplia. Tapahtuma on silloin kuin kuuman veden tasainen muutos kaasuksi, ilman suurta eroa kahden olomuodon välillä. Asian voi ilmaista myös niin, että jos Higgs on vastuussa aineen ja antiaineen epäsuhdasta, on olemassa uusia hiukkasia, jotka tekevät muutoksesta jyrkemmän. Niiden massat eivät saa olla kovin paljon Higgsin massaa isompia, koska muuten ne eivät merkittävästi vaikuta sen olomuodon muutokseen.

Juuri tällaisten hiukkasten etsiminen on yksi CERNin hiukkaskiihdytin LHC:n pääasiallisia tehtäviä. Toistaiseksi mitään ei ole näkynyt tarkasta syynistä huolimatta. Tämän takia katseet ovat kääntyneet taivaalle.

Kuplien törmäykset eivät vain sekoita aineen ja antiaineen suhdetta, ne myös synnyttävät gravitaatioaaltoja. Kuplien seinissä on paljon energiaa. Niinpä niiden törmäykset ravistelevat avaruutta kovalla kädellä, kuten mustien aukkojen törmäykset nykyään.

Helsingin yliopistolla kollegani Mark Hindmarsh ja David Weir ovat kunnostautuneet näiden törmäysten tarkassa tutkimisessa. He ovat ensimmäisinä maailmassa laskeneet, millaisia gravitaatioaaltoja jyrkässä olomuodon muutoksessa kasvavien kuplien törmäyksissä syntyy. Muutkin kuin fyysikot voivat nauttia heidän elokuvistaan, jotka havainnollistavat laskujen tuloksia. Alla olevassa videossa näkyy kuplien synty, törmäykset ja yhtyminen.

Alla olevassa videossa näytetään, miten kuplien törmäykset synnyttävät gravitaatioaaltoja.

Elokuvasta näkee, että gravitaatioaaltoja syntyy vielä kuplien katoamisen jälkeen aineen velloessa väkivaltaisesti ympäriinsä.

Satelliittikolmikko LISA, joka nousee Aurinkoa kiertävälle radalle 2030-luvun puolivälissä, voi havaita Higgsin kuplista syntyneitä gravitaatioaaltoja. Joku voisi sanoa, että motivaatio niiden etsimiselle on heikko koska LHC ei ole nähnyt mitään.  Toisaalta voi ajatella, että juuri siksi gravitaatioaallot ovat tärkeitä: jos Higgsin kuplien synnyttämiä aaltoja nähdään, ne ovat varma ja ainutlaatuinen merkki uusista hiukkasista ja vuorovaikutuksista.

On myös jännite onnistuneen baryogeneesin ja gravitaatioaaltojen näkemisen välillä. Gravitaatioaallot ovat sitä vahvempia, mitä rajumpia kuplien törmäykset ovat, eli mitä nopeammin niiden seinät liikkuvat. Toisaalta antiaineen ja aineen epäsuhdan kehittyminen vie oman aikansa, joten sen kannalta on parempi, jos seinät liikkuvat hitaasti.

Mutta LISA-koe on rakennettu pääasiassa galaksien keskustoissa lymyävien mustien aukkojen muodostumista ja muita myöhäisen maailmankaikkeuden tapahtumia silmällä pitäen, Higgsin kentän mahdollisia kuplia tulee etsittyä samaan hintaan.

Jos Higgs on vastuussa siitä, että ainetta on enemmän kuin antiainetta, se olisi sille yksi tehtävä lisää, hiukkasten massojen ja ehkä kosmisen inflaation lisäksi. Jos Higgs ei pysty hommaa hoitamaan, niin hiukkaskosmologit ovat keksineet muitakin keinoja, kuten steriilien neutriinoiden muuttumisen toisikseen, josta ehkä toiste enemmän. Se, että gravitaatioaallot saattavat kertoa asian laidan osoittaa, miten hiukkasfysiikka ja kosmologia ovat toisiinsa kietoutuneita.

Päivitys (20/09/19): Lisätty sanat ”kolmiulotteisilla simulaatioilla”.