Tonni tankissa
Viime viikolla pidettiin CERNissä järjestetty etäkonferenssi Zooming in on Axions. Aiheena oli nimen mukaisesti aksionit, spekulatiiviset hyvin kevyet alkeishiukkaset. Aksionit ovat suosituimpia ehdokkaita pimeäksi aineeksi.
Aksioneja on tutkittu yli 40 vuotta, ja niiden suosio on viime vuosina kasvanut. Ne olivat nyt erityisen ajankohtaisia, koska koeryhmä XENON1T ilmoitti sattumalta konferenssia edeltävällä viikolla kenties havainneensa niitä. Koeryhmän jäsenen Michelle Gallowayn esitys aiheesta päätti konferenssin.
XENON1T on koe, jossa on tonni nestemäistä ksenonia tankissa. Tankki sijaitsee Gran Sasson kaivoksessa Italiassa, samassa paikassa kuin kiistelty pimeän aineen koe DAMA/Libra ja liikoja väittänyt neutriinokoe OPERA.
XENON1T on rakennettu etsimään raskaita pimeän aineen hiukkasia, niin sanottuja nynnyjä ja niiden kaltaisia hiukkasia. Periaate on yksinkertainen. Pimeää ainetta (jos sitä on olemassa) on kaikkialla. Koska Maapallo liikkuu, tankin läpi kulkee koko ajan pimeää ainetta. Jos pimeän aineen hiukkanen törmää tankissa olevan atomin ytimeen, atomista tulee valoa ja irtoaa elektroni, jotka havaitaan.
Koska nynnyjä ei ole näkynyt, koeryhmä on etsinyt myös muita mahdollisia hiukkasia. Jos pimeän aineen hiukkanen on kevyt, se ei anna ytimille isoa tönäisyä, mutta voi silti pystyä potkimaan elektroneja sijoiltaan, koska ne ovat kevyempiä. Koeryhmä löysikin huolellisen tarkastelun jälkeen signaalin: elektroneihin kohdistuu potkuja, joiden alkuperä on tuntematon.
Kiinnostavaa on se, että potkujen energia vastaa aksionimallien ennusteita. Koska aksionit ovat kevyitä, niiden tuottaminen ei vaadi paljon energiaa. Niinpä, jos aksioneja on olemassa, niitä syntyy koko ajan Auringon ytimessä. Koska aksionit vuorovaikuttavat aineen kanssa erittäin heikosti, ne pääsevät Auringosta pakoon. Maan läpi siis kulkee vuo aksioneja, joiden energia vastaa Auringon ytimen lämpötilaa. Kutkuttavasti XENON1T:n havaitsemien potkujen energia on juuri tämä.
XENON1T-ryhmä ei vielä väitä havainneensa aksioneja. Koelaitteiston pitää olla erittäin herkkä, jotta se voisi havaita aksionien heiveröisen signaalin. Tämä tarkoittaa myös sitä, että kaikki ympäristön häiriöt pitää olla hyvin selvillä. On mahdollista, että potkut johtuvat siitä, että laitteistossa on pieniä määriä tritiumia, joka hajoaa radioaktiivisesti. Aksioni tosin sopii havaintoihin paremmin kuin tritium, ja laitteisto on tarkkaan puhdistettu, mutta asiasta ei ole varmuutta.
On myös mahdollista, että kyseessä on sattuma. Sen todennäköisyys on naiivisti arvioiden noin 1:2000. Galloway vertasi tätä siihen, että heittää arpakuutiolla viisi kuutosta peräkkäin (minkä todennäköisyys on itse asiassa noin neljä kertaa pienempi).
Hiukkasfysiikassa tällaista pidetään vain vihjeenä jostain, löydöstä puhutaan vasta kun sattuman todennäköisyys alle noin yksi miljoonasta. Vuonna 2016 eräs LHC-kiihdyttimen kohuttu signaali osoittautui sattumaksi, vaikka naiivi arvio tämän todennäköisyydestä oli alle 1:100 000.
Syynä oli se, että LHC tuottaa valtavasti dataa, josta tehdään satoja analyysejä. Niinpä joskus törmää kohinaan, joka näyttää signaalilta. Jos heittää noppaa tuhat kertaa, ei ole kovin epätodennäköistä, että jossain kohtaa tulee peräkkäin viisi kuutosta.
XENON1T-kokeen tilanne on erilainen. Se, ja muut vastaavat pimeää ainetta etsivät kokeet, tekevät paljon vähemmän erilaisia etsintöjä. Siispä on vähemmän luultavaa, että kyseessä olisi sattuma kuin jos jokin LHC:n koe näkisi signaalin, jonka todennäköisyys olisi naiivisti arvioituna sama.
Tapaus on niin kiinnostava, että se toi hiukkasfyysikko Jesterin takaisin bloginsa satulaan kahden vuoden tauon jälkeen (teknisiä yksityiskohtia voi lukea hänen blogimerkinnästään ja sen kommenteista), mutta epäilyyn on vielä aihetta.
Yksi ongelma on se, että jos signaali johtuu aksioneista, niitä on liikaa. Potkujen määrästä voi päätellä, paljonko Auringossa syntyy aksioneja. Aksionien mukana tähdistä poistuu energiaa, joten ne jäähtyvät nopeammin. Tällaista ylimääräistä jäähtymistä ei ole havaittu, ja kokeen osoittama tahti on niin kova, että se muuttaisi tähtien kehitystä enemmän kuin mitä havainnot sallivat.
Havaintojen ja mallin ristiriitahan ei toki ole teoreetikolle ongelma vaan mahdollisuus. Ensimmäinen tieteellinen artikkeli, jossa tarjottiin havaintoja selittävää mallia, tuli julki kahdeksan tuntia koeryhmän ilmoituksen jälkeen. Puolessatoista viikossa artikkeleita on tullut 40, ja lisää on varmasti uunissa.
Asiaa eivät ratkaise teoreetikot, vaan lisähavainnot. Koeryhmä kasaa par’aikaa koetta XENONnT, joka on kolme kertaa XENON1T:n kokoinen ja jossa taustahäiriöt ovat paljon pienempiä. Se aloittanee toiminnan neljän kuukauden kuluttua. XENON1T:n analyysi perustui 227 päivän dataan, joten XENONnT saa alle muutamassa kuukaudessa kerättyä yhtä paljon dataa. Jos siinä näkyy samanlainen signaali, on järkevän epäilyn ulkopuolella, että kyseessä olisi sattuma. Mikä oleellisempaa, uusi laite pystyy myös erottamaan tritiumin ja aksionit toisistaan, niiden antamat potkut kun ovat hieman erilaisia.
Uusia tuloksia sopii siis odottaa vuoden sisään. Jos teoreetikoiden tahti pitää, siihen mennessä on ilmestynyt yli tuhat vaihtelevan laatuista artikkelia aiheesta.
Jos nynnyjä etsimään lähtenyt XENON1T on todella havainnut aksioneja, siitä tulee mieleen suurta yhtenäisteoriaa ja protonin hajoamista jahdannut Super-Kamiokande, joka löysi sen sijaan neutriinoiden muuttumisen toisikseen, mistä myönnettiin kaksi Nobelin palkintoa. Toisaalta voi muistaa, että mahdollisia pimeän aineen signaaleja on tullut paljon, ja suurin osa niistä on myös mennyt pois (ks. täällä, täällä, täällä, täällä, täällä, täällä, täällä ja täällä).
https://home.cern/science/experiments/cast
Tässä vähän toisenlaista etsintää, eli LHC on puolestaan omalla panoksellaan mukana. En tosin tiedä onko tämä(kin) huitova vehje vielä kestävän remontin uudistettavana.
https://atlas.cern/updates/physics-briefing/light-scattering-light-constrains-axion-particles
Tässä taas ATLAS tutkii ”axion-like” hiukkasia (nämäkin siis jo aiemmin kerättyyn dataan perustuen)
LHC:hän alkaa tosi toimiin remontin jäljiltä vasta ensi vuoden syyskuussa.
CAST tosiaan mittaa fotoneiden muuttumista aksioneiksi, eli aksionien ja fotonien kytkentää. XENON1T sen sijaan mittaa lähinnä aksionien ja elektronien kytkentää, vaikka fotonienkin kytkentä on analyysissä mukana.
Tuosta toisesta analyysistä en tiennytkään. Tuo mahdollinen aksionien massan alue on tosin teoreettiselta kannalta toivottoman korkea, mutta kaikkeahan kannattaa tutkia kun dataa on.
Olisiko mahdollista, että matalilla energioilla yleisesti esiin saatava neutriinovuo olisi runsaampaa auringon toiminnasta riippumatta? Onko tästä aiempaa dataa?
Datassa näkyykin Auringon neutriinoiden aiheuttamia potkuja. Jotta Auringon neutriinot voisivat selittää kaikki potkut, niitä pitäisi olla luultua enemmän (eli Auringon toiminnan pitäisi olla erilaista kuin mitä on luultu) tai niiden pitäisi vuorovaikuttaa luultua voimakkaammin (eli pitäisi olla uutta hiukkasfysiikkaa, joka yhdistää neutriinot elektroneihin).
Jälkimmäinen vaihtoehto on mahdollinen, epäilen (mutta en tiedä) salliiko data edellistä.
Mutta tarkoitat ilmeisesti, että olisi jokin muu juuri sopivan energisten neutriinojen lähde kuin Aurinko? Miksei periaatteessa, en tiedä millaisia rajoituksia näillä energioilla sille on.
CNB-neutriinoja odotetaan nähtävän mahdollisesti vielä paljon matalimmilla energioilla, mutta pieni todennäköisyys on, että jo tuossa olisi niitä mukana.
Kosmisen neutriinotaustan neutriinoiden energia on noin miljoona kertaa liian pieni, jotta ne voisivat selittää XENON1T:n havaitsemia potkuja.
Kiitos Syksy. Odottelinkin aiheesta postausta. Miten on päätelty, että aksionit olisi juuri auringosta? Jos aksioneita on kaikialla mahdollsesti selittäen pimeän aineen, niin luulisi sen energiaa oleva tarjolla.
Löydös ilmeisesti muuttaa käsitystä standardimallista? Ennustaako aksioninin olemassaolo jotain mielenkiintoista esim yhtenäisteoriasta?
Jos pimeä aine koostuu aksioneista, sekä niiden aksionien massa että nopeus ovat pieniä. Niinpä niiden energia ei riitä antamaan nyt havaittuja potkuja.
Mitäänhän ei ole vielä löydetty. Mutta jos havainnot selittyvät aksioneilla, se opastaa kyllä eteenpäin. Aksionit ovat tosin esimerkki mallista, joka on rakennettu nykyisen tiedon päälle, pohjalta ylös, ei ylhäältä alas. Ei siis ole ihan selvää, mitä aksionien havaitseminen kertoo vaikkapa yhtenäisteoriasta.
Mutta aksioneihin liittyy kaikenlaisia kiinnostavia mahdollisia ilmiöitä, ja niiden löytäminen auttaisi tarkentamaan tutkailuja. Kirjoitin aksioneista täällä: https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/totalitaristinen-periaate-ja-vanhan-ajan-romantiikka/
Päätelmä siitä, että aksionit olisivat Auringosta, perustuu siis siihen, että se on ainoa tunnettu sopiva aksionien lähde. Ja energia täsmää.
Mutta datasta ei esimerkiksi pysty erottamaan mitään aikavaihtelua tai suuntaa.
Aksionikenttä selittänee vahvan CP symmetrian. Oliko symmetria tavallaa rikki universumin alussa, mutta ”korjaantui” kentän hakeutuessa alimpaan potentiaaliin? Voiko ajatella, että epäsymmetria siirtyi kvarkkien ja antikvarkkien lukumäärään?
Joo, vahvan vuorovaikutuksen CP-symmetriaa rikkova termi tosiaan asettuu nollaan vasta aksionin painuessa potentiaalinsa minimiin ajan kuluessa.
CP-symmetrian rikko ei siirry minnekään, se vain korjaantuu. Aksioneilla voi kyllä olla osansa baryogeneesissä (eli kvarkkien ja antikvarkkien lukumäärän erossa), mutta tarina on monimutkaisempi.
”Idea on samankaltainen kuin Higgsin mekanismissa, missä Higgsin kenttä vuorovaikuttaa hiukkasten kanssa siten, että ne käyttäytyvät kuin niillä olisi massa. Aksionien tapauksessa aksionikenttä vuorovaikuttaa gluonien kanssa siten, että ne käyttäytyvät kuin niillä ei olisikaan tuota yhtä vuorovaikutusta. ”
Voitko avata minkä välistä vuorovaikutusta tuossa lopussa tarkoitat?
Tuo olikin epämääräisesti kirjoitettu. Asia on matemaattisesti yksinkertainen, mutta en tiedä osaanko selittää sitä yleistajuisesti kovin hyvin.
QCD:n symmetria rajoittaa sitä, miten gluonit voivat vuorovaikuttaa keskenään. Yleensä QCD:ssä on vain kaksi perusvuorovaikutusta suoraan gluonien välillä: sellainen, missä kolme gluonia tulee yhteen (esim. gluoni säteilee gluonin) tai sellainen, missä neljä gluonia tulee yhteen (esim. kaksi gluonia törmäävät ja muuttuvat toisiksi kahdeksi gluoniksi).
Sen lisäksi on olemassa myös toinen mahdollinen yhdistelmä kolmi- ja neligluonivuorovaikutusta. Se on kuitenkin sellainen, että yhdistelmän eri osat kumoavat toisensa, niin että mitään vuorovaikutusta ei tapahdu – ainakaan klassisesti. Kvanttimekaanisesti nämä vuorovaikutusten osat eivät kuitenkaan yleisesti ottaen täysin kumoa toisiaan, ja niillä on fysikaalinen vaikutus.
Aksioni kytkeytyy tähän vuorovaikutusten yhdistelmään. Kun aksionikenttä asettuu minimiinsä, niin tuon vuorovaikutusten yhdistelmän kertoimeksi tulee nolla, eli se häviää.
Kiitos, tämä selvitti riittävästi. Higgs kentän vaikutuksessa eräs symmetria rikkoutuu, kun taas axion kenttä vaikuttaa toiseen symmetriaan. Mielenkiintoista miten kentät ovat alkujaan asettunut sellaisiksi kuin ovat. Onko axion kenttä voinut olla inflaation aikana?
Aksionikentällä, kuten Higgsillä, on oma symmetriansa, joka rikkoutuu kun kenttä asettuu minimiinsä.
Aksionikenttä (jos sitä on) on oletettavasti ollut olemassa jo inflaation aikana. Tuo rikkoutuminen on saattanut tapahtua inflaation aikana tai sen jälkeen, ja seuraukset ovat erilaiset.
Aksioneihin liittyy paljon kiinnostavia ilmiöitä, ne voivat esimerkiksi muodostaa säikeitä ja verkostoja, joiden romahtaminen punoutuminen voi synnyttää gravitaatioaaltoja ja romahtaminen mustia aukkoja.
Eikö XENON10, -100 ja -1T olleet alunperin tarkoitetut WIMP’ien havaitsemiseen? Nyt niistä ei enää puhuta mitään (engl. teksti alla) vaan aksioneista, vaikka Syksy kirjoittaa näin: ”Jos pimeä aine koostuu aksioneista, sekä niiden aksionien massa että nopeus ovat pieniä. Niinpä niiden energia ei riitä antamaan nyt havaittuja potkuja.”
In June 2020, the XENON1T collaboration reported an excess of electron recoils: 285 events, 53 more than the expected 232.Three explanations were considered: existence of to-date-hypothetical solar axions, a surprisingly large magnetic moment for neutrinos, and tritium contamination in the detector. There is insufficient data to choose among these three, though the XENONnT upgrade should provide this capacity.
Kirjoitan tekstissä WIMPeistä suomennoksella nynny.
Toki sen ymmärsin. XENON1T ja muut XENONit oli suunniteltu nynnyjen havaitsemiseen eikä niitä löydetty. Niinpä päätettiin etsiä aksoneja, vaikka XENON ei siihen soveltuisikaan. Sama asia kuin risalla ilmapuntarilla alettaisiin mitata painoa, koska se ei sovellu ilmanpaineen mittaamiseen.
Kuten tekstissä todetaan, XENON1T voi havaita aksioneja, joita syntyy Auringossa.
Se ei voi havaita niitä aksioneja, jotka ovat olleet jo kauan olemassa ja muodostavat pimeän aineen.
Näiden kahden ero on sama kuin kosmisen mikroaaltotaustan ja Auringossa syntyvän valon. Edellisen fotonien energia on niin pieni, että niitä ei näe silmällä, mutta Auringon fotonit näkee.
Mielenkiintoista. Siis jos nyt etsitään mahdollisia aksioneja auringosta niin se tarkoittanee, että kosmoksen kaikki miljardit miljardit tähdet tekevät/ovat tehneet samoin. Eli ”kauan olemassa olleet” muodostaisivat historian tähtien ns pimeän aineen mutta että kaikki nykyajan tähdet vielä lisäisivät tuota vuota (vastaavuus mikroaaltotaustan ja Auringon fotonit). Eli että pimeä aine sen kuin jatkaa (historiallista) lisääntymistään? Niinkuin pimeä energiakin.
Eli ennen tähtien syttymistä pimeää ainetta ei olisi ollut? Vai voiko kuvitella pimeän aineen ennen tähtien syttymistä (jostain muusta syystä syntyneen) ”mikroaaltotaustan”? – koska kirjoitat: ”Aksionikenttä (jos sitä on) on oletettavasti ollut olemassa jo inflaation aikana”.
Pimeä aine ei kokonaisuutena ole syntynyt tähdissä.
Tähdissä syntyvien aksionien määrä on mitätön verrattuna pimeän aineen kokonaismäärään.
Aivan kuten tähdissä syntyvien fotonien määrä on mitätön verrattuna fotonien kokonaismäärään.
Pimeän aineen energiatiheys on noin viisi kertaa niin iso kuin näkyvän aineen, tähdet ovat vain murto-osa näkyvästä aineesta ja vain murto-osa tähtien energiasta muuttuu aksioneiksi (jos niitä on olemassa).
Kiitos. Niinpä tietysti, en ajatellut kokonaishommaa (olinpa tyhmä). Eli tähtien aksionit (jos niitä on) ovat pimeän aineen kokonaistaloudessa yhtä tyhjän kanssa (mutta hyvä testikohde).
”Aksionikentällä, kuten Higgsillä, on oma symmetriansa, joka rikkoutuu kun kenttä asettuu minimiinsä. Aksionikenttä (jos sitä on) on oletettavasti ollut olemassa jo inflaation aikana. Tuo rikkoutuminen on saattanut tapahtua inflaation aikana tai sen jälkeen, ja seuraukset ovat erilaiset.”
Eli pimeän aineen (mahdollisesti) lähes 100 prosenttisesti muodostavat aksionit ovat syntyneet aksionien oman symmetriarikon aikaan (kentän minimi). Ehdottaako suurin osa teorioista syntyaikaa inflaation aikana? Higgsin kentän minimillä 246 GeV ja aksionikentän minimin välillä siis valtava ero (onhan H-bosoni toiseksi raskain hiukkanen). Jos Higgsin kenttä on mahdollisesti häärännyt inflatonkenttänä, onko aksionikentällä mitään yhtymäkohtia (eli onko joku teorisoinut)?
Aksionikentän symmetrian rikkoutumisen ja pimeän aineen suhde on monimutkaisempi (esim. aksionikenttä voi muodostaa säikeitä, jotka myöhemmin hajoava aksionihiukkasiksi, jotka ovat pimeää ainetta), mutta ei siitä ehkä enempää tässä.
Käsittääkseni aksionikentän symmetrian rikkoutumista pidetään yhtä mahdollisena inflaation aikana kuin sen jälkeen.
Aksionikenttää on itseäänkin ehdotettu inflatoniksi. Ajatuksena on se, että aksioni on kompleksinen kenttä, ja sen vaihe ratkaisee vahvan CP-ongelman ja amplitudi toimii inflatonina. Tämä on mielenkiintoinen rakennelma.
Aksioneilla ei ole erityistä poikkeavaa roolia kun Higgs on inflatoni.
”Aksioneilla ei ole erityistä poikkeavaa roolia kun Higgs on inflatoni”.
Ajattelin tässä esim (Enqvistin) kurvatonia ja Higgsiä, jotka ”pelaavat yhteen” inflaation lopussa. Mutta ilmeisesti siis ei.
Se voi olla mahdollista – asiaa on varmaan tutkittukin, mutta en ole perehtynyt aksioni-inflaatioon tarpeeksi.
Jos Higgs ei ole inflatoni, niin se voi joko istua minimissään tai vaeltaa ympäriinsä kvanttifluktuaatioiden myötä, riippuu inflaation skaalasta kumpi toteutuu. Jos inflaation energiaskaala on liian pieni suhteessa Higgsin massaan, se ei tee mitään kiinnostavaa.
Onko aksionin massa peräisin higgs kentästä? Mietin, että Higgs symmetria rikko on saattanut siten antaa sysäysen aksion kenttään inflaation lopussa. Toisaalta kevyiden hiukkasten kuten neutriinojen massan syntymiselle on käsittääkseni teorisoitu vaihtoehtoista tuntematonta kenttää.
Ei, aksionin massa ei liity Higgsin kenttään.
Niin epäilinkin.Standardi mallin mukaan, Higgsin lepomassa on standardi lepomassa. Axionin lepomassa linee samoin, ollessan skalaaribosoni ( ei vektori).
En tiedä mitä tarkoitat ”standardi lepomassalla”? Aksioni on pseudoskalaari, ei skalaari, ja sen massa on pieni koska klassisesti se on massaton, vain pienet kvanttikorjaukset saavat sille aikaan massan. Higgsin massan kohdalla asia ei ole näin.
Standardimassaa on käyetty epätieteellisesti tarkoittamaan massaa joka on annettu ilman mitään ihmeempää mekanismia. Tosin Kaplan et al. mallissa axionkenttä on lukinnut higgs bosonin massan, joka oli suurempi sitä ennen. Liittyy vuorovaikutusten hierarkiaongelman rakaisun etsimiseen axionkentällä.
Erään teorian mukaan axion oli ilmeisesti massaton inflaation aikana, mutta kvarkkien ja gluonien järjestäytyessä (QCD rikko?), sille syntyi pieni massa. Tästä johtuen kvanttifluktiosta heilahdellut kentän vaihe meni nollaan ja vaihtelut periytyivät kentän energiatiheyden vaihteluiksi. Kyseissä symmetriarikkossa taisi inflaatio päättyä?
En tunne kyseistä ideaa. Mutta yleensä inflaatio loppuu paljon ennen QCD-transitiota.
Idea on kirjasta Physics of the Early Universe vuodelta 1989 . On arveltu myös, että GUT symmetrian rikko olisi aiheuttanut inflaation ja varmasti jokin rikko on aiheuttanut myös päättymisen (viimeistään higgs kentän asettuessa nykyiseesnsä, jossa ehkä axionilla oma osansa ). Voi olla että suositumpia teorioita on jälkeenpäin syntynyt.
Onko mahdollisesta axion löydöstä tukea GUT tai säieteoriolle?
Riippuu siitä minkälaisia aksioneja löydetään. Säieteoria on tosin sen verta kaukana havainnoista, että on vaikea nähdä, että mikään havainto tukisi sitä.