Ambulanssien perävalot
Fysiikassa on jo havaittu ilmiö nimeltä ambulanssien jahtaaminen. Termi tarkoittaa sitä, että fyysikot julkistavat nopeaan tahtiin mahdollisia selityksiä uusimmasta havaitusta poikkeamasta teoriana ennusteista, oli se merkittävä tai ei. (En ole varma samaistetaanko tutkijat tässä asianajajiin vai autojen perässä kirmaaviin koiriin.) Jos osuu oikeaan on voittaja; jos menee pieleen niin ei ole sen enempää väärässä kuin muutkaan, ja artikkelin saa joka tapauksessa julkaistua.
Tähän liittyen tänä syksynä on taas saanut lukea siitä, että pimeän aineen hiukkanen on ehkä löydetty. Näitä uutisia tulee aika ajoin (ks. täällä, täällä, täällä, täällä ja täällä), nyt oli kokeen LUX-ZEPLIN (tuttavallisemmin LZ) vuoro.
Matti Heikinheimo Helsingin yliopistosta puhui aiheesta viime kuussa Fysiikan tutkimuslaitoksen seminaarisarjassa. (Hänen kirjoituksensa voi lukea tästä.) Heikinheimo on alan asiantuntija, hän kuuluu pimeää ainetta etsivään COSINUS-koeryhmään.
On paljon todistusaineistoa siitä, että maailmankaikkeudessa on viisi kertaa niin paljon pimeää ainetta kuin tavallista, atomiytimistä ja elektroneista koostuvaa ainetta. Kaikki havainnot liittyvät kuitenkin pimeän aineen gravitaatiovaikutukseen. Valon avulla pimeää ainetta ei ole nähty: se ei lähetä, ime eikä heijasta valoa – näkymätön aine olisikin kuvaavampi nimi kuin pimeä aine. Pimeä aine on onnistuneesti selittänyt ja ennustanut havaintoja vuosikymmenien ajan, mutta varmuuden saamiseksi se pitäisi löytää muuten kuin gravitaation avulla.
Jos pimeä aine koostuu hiukkasista, niin niitä kulkee koko ajan Maan läpi kun se kiertää Linnunradan keskustaa. Pimeä aine vuorovaikuttaa heikosti tavallisen aineen kanssa, joten suurin osa sen hiukkasista menee läpi vuorovaikuttamatta. Mutta silloin tällöin jokin niistä törmää Maassa oleviin atomeihin. Pimeää ainetta etsivissä kokeissa yritetään havaita näitä törmäyksiä.
LZ aloitti datan keräämisen vuonna 2021, ja se on maailman herkin pimeää ainetta etsivä koe. Laite makaa dakotalaisessa luolassa ja odottaa että pimeän aineen hiukkaset tönivät sitä. Ennen syyskuun ilmoitusta LZ ei ollut nähnyt mitään poikkeavaa, ja koeryhmä oli julkaissut vahvimmat rajat sille, kuinka vahvasti pimeän aineen hiukkanen voi tavallisen aineen kanssa vuorovaikuttaa.
Syyskuun 1. päivä LZ-tutkimusryhmä julkisti tuloksensa, joiden mukaan yksi sen havaitsemista potkuista on outo. Hyvä puoli on se, että sitä on vaikea selittää radioaktiivisella hajoamisella tai millään muulla tunnetulla ilmiöllä. Huono puoli on se, että sitä on vaikea selittää myöskään pimeällä aineella.
Yritystä tutkijoilta ei puutu. Kun Heikinheimo puhui 20. lokakuuta, oli julkistettu jo 125 tieteellistä artikkelia, missä viitataan näihin uusiin tuloksiin. Kahdessa viikossa niitä on tullut 33 lisää. Suurimmassa osassa yritetään selittää tapausta pimeällä aineella.
Keskeistä on signaalin erottaminen kohinasta. Laitteet ovat herkkiä ja mittaavat koko ajan potkuja radioaktiivisesta hajoamisesta: kun katsoo tarpeeksi tarkkaan, kaikki on radioaktiivista, myös mittalaite ja sitä ympäröivä luola.
Kun pimeän aineen hiukkanen törmää LZ:n koeaineessa olevaan atomiin, sen potku voi irrottaa elektroneja ja saada atomin lähettämään valoa. Vertaamalla elektroni- ja valosignaalia voidaan erotella radioaktiivinen hajoaminen ja pimeän aineen törmäys. Tämä yksi outo tapaus vastaa sitä, että atomiytimeen olisi törmännyt pimeän aineen hiukkanen. Sen energia on paljon isompi kuin radioaktiivisen hajoamisen aiheuttamien törmäysten.
Jos kyseessä on pimeä aine, kokeessa odottaisi näkyvän myös muita törmäyksiä matalammilla energioilla, ei vain yksi törmäys. Tämä voi välttää tekemällä pimeästä aineesta monimutkaisempaa. Yksi mahdollisuus on se, että törmätessään ytimeen pimeän aineen hiukkanen muuttuu toiseksi, ei vain kimpoa.
Tällaisia malleja on kyllä esitetty jo aiemmin. Sellainen löytyy jopa hiukkasfysiikan Standardimallin yksinkertaisimmasta supersymmetrisestä laajennuksesta, jossa Higgsin hiukkasen supersymmetrinen kumppani olisi pimeää ainetta. (Supersymmetria on suosittu idea, jolle ei ole löytynyt kokeellisia todisteita.)
Heikinheimo totesi, että valitettavasti (nobelilla tänä vuonna palkittava) koe IceCube sulkee pois tämän mahdollisuuden. Jos malli pitäisi paikkansa, IceCube näkisi enemmän Auringosta tulevia neutriinoita. Mutta malleja on monia muitakin.
Yksinkertaisin selitys on se, että kyseessä on sattuma. Todennäköisyys sille, että kyseessä on oikea signaali on 99%. Tämä kuulostaa arkisesti varmalta asialta, mutta fysiikassa 99% todennäköisyyttä ei pidetä kovin vakuuttavana, koska kokeita ja analyysejä on paljon. (Sarjakuva xkcd havainnollistaa asiaa.) Tilastollisesti paljon merkittävämmätkin mahdolliset signaalit ovat osoittautuneet kohinaksi, systemaattisista virheistä puhumattakaan.
LZ-koe on jo kerännyt yli kolme kertaa niin paljon dataa kuin mitä tämän havainnon löytämiseen käytettiin. Myös muut kokeet haluavat varmasti tarkistaa asian. Joten jos kyseessä on pimeä aine, näitä törmäyksiä nähdään pian lisää. Muutoin pitää odottaa seuraavaa ambulanssia, joka kohta ehkä tuleekin kulman takaa.