Kauneusvirheen korjaaminen

31.8.2016 klo 18.34, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Kun CERNin LHC-kiihdytin käynnistyi vuonna 2009, fyysikot saattoivat olla varmoja, että haaviin jää jotain merkittävää. Hiukkasfysiikan Standardimalli ei toimi LHC:n luotaamilla energioilla ilman Higgsin hiukkasta. Niinpä oli selvää, että LHC löytää Standardimallin Higgsin hiukkasen, jotain ennestään tuntematonta tai sekä että. Tylsin vaihtoehto voitti: Higgs löytyi, mutta mistään Standardimallin tuonpuoleisesta ei ole näkynyt jälkeäkään.

Standardimallin tuonpuoleista fysiikkaa on varmasti olemassa ainakin siksi, että Standardimalli ei pysty selittämään aineen ja antiaineen välistä eroa, eli baryogeneesiä, eikä pimeää ainetta. (Eikä myöskään neutriinojen massoja, joista on annettu Nobelin palkintojakin.) Pitkään myös ajateltiin, että kosmiseen inflaatioon tarvitaan jokin uusi kenttä, mutta nyt näyttää siltä, että Higgs pystyy hoitamaan homman.

Yleensä ajatellaan, että Standardimallin tuonpuoleinen fysiikka se on pysynyt piilossa siksi, että se liittyy raskaisiin hiukkasiin, joiden tuottamiseen tarvitaan korkeita energioita. Maailma on rakentunut hierarkisesti siten, että pienempään mittakaavaan ja massiivisempiin hiukkasiin käsiksi pääseminen edellyttää energian tikapuilla nousemista: atomeja voi hajottaa tulitikulla, mutta atomiydinten rikkomiseen tarvitaan raskaampaa kalustoa, ja kvarkkien näkeminen ydinten sisällä vaatii niiden iskemistä toisiinsa kiihdyttimillä.

Mutta on toinenkin mahdollisuus: ehkä hiukkaset eivät ole jääneet näkemättä siksi, että ne ovat raskaita, vaan siksi, että ne vuorovaikuttavat heikosti. Tällöin baryogeneesin ja pimeän aineen voisi selittää vetoamatta Standardimallia korkeampaan energiaskaalaan. Tämä on perusajatus Takehiko Asakan ja Mikhail Shaposhnikovin ehdotuksessa nimeltä nuMSM, eli neutriinojen Minimaalinen Standardimalli. Nimi lienee tarkoituksella valittu samantyyliseksi kuin MSSM, Minimaalinen Supersymmetrinen Standardimalli. MSSM on suosituin (ja ehkä yksinkertaisin) malli, joka toteuttaa idean siitä, että baryogeneesi ja pimeä aine ovat piilossa korkeammilla energioilla, ja vastaavasti nuMSM on yksinkertaisin malli, jossa vedotaan sen sijaan vuorovaikutuksen heikkouteen.

Nimen mukaisesti nuMSM:n keskeiset näyttelijät ovat neutriinoja, mutta eivät sellaisina kuin me ne tunnemme. Tavallisetkin neutriinot ovat hyvä esimerkki fysiikasta, joka on ollut piilossa vuorovaikutusten heikkouden takia. Kuten elektronit ja protonit, neutriinot ovat stabiileja, eli ne eivät koskaan hajoa. Neutriinot ovat toiseksi runsaslukuisimpia hiukkasia maailmankaikkeudessa, niitä on 83% fotonien lukumäärästä, noin miljardi jokaista protonia ja elektronia kohden, 341 kappaletta kuutiosenttimetrissä. Standardimallissa on kolmenlaisia neutriinoja, ja niistä ensimmäinen nähtiin suoraan vasta vuonna 1956, toinen 1962 ja viimeinen 2000, vaikka vihjeitä ja epäsuoria todisteita oli jo aiemmin.

Neutriinojen havaitseminen on vaikeaa, koska niillä ei ole sähkövarausta eikä värivarausta. Niinpä niitä ei voi nähdä eikä koskea, eivätkä ne ole atomiydinten rakennuspalikoita. Tavalliset neutriinot tuntevat kuitenkin Standardimallin kolmannen vuorovaikutuksen, eli heikon vuorovaikutuksen. Sen kautta niitä syntyy ydinten hajoamisissa, mitä kautta niistä alun perin saatiinkin vihiä.

Koska neutriinot ovat näkymättömiä massiivisia hiukkasia, niiden uumoiltiin aikoinaan selittävän pimeän aineen, mutta on osoittautunut, että ne ovat siihen liian kevyitä. (Baryogeneesiin niistä ei ole mitään apua.) nuMSM:ssä Standardimalliin lisätään kolmen tutun rinnalle kolme uutta neutriinoa, jotka ovat Higgsin hiukkasta kevyempiä. Hiukkaskiihdyttimistä ja kevyiden alkuaineiden synnystä kuitenkin tiedetään, että niillä ei tällöin voi olla heikkoja vuorovaikutuksia, muuten ne olisi jo havaittu. Koska uudet neutriinot eivät tunne mitään Standardimallin vuorovaikutuksista, niitä sanotaan steriileiksi.

Steriilit neutriinot eivät ole kummallinen ajatus. Standardimallissa kaikista ainehiukkasista paitsi neutriinoista on tavallaan neljä versiota. Voi ajatella, että hiukkasen lisäksi on olemassa antihiukkanen, ja toinen tekijä kaksi liittyy ominaisuuteen nimeltä spin, josta ei tässä sen enempää. Jos neutriinoillekin antaa kaksi uutta komponenttia, niin uudet komponentit voi käsittää uusiksi hiukkasiksi, steriileiksi neutriinoiksi. Neutriinoiden massojen antamisen myötä ne tulevatkin kuvaan varsin luontevasti. Itse asiassa Standardimalliin olisi kenties alun perinkin pitänyt ottaa mukaan neutriinoiden massat ja steriilit neutriinot.

nuMSM:ssä kevyin steriili neutriino on vastuussa pimeästä aineesta, ja kaksi muuta selittävät aineen ja antiaineen välisen epäsuhdan. Vaikka steriilit neutriinot eivät tunne Standardimallin vuorovaikutuksia, ne voivat muuttua tavallisiksi neutriinoiksi ja toisin päin. Baryogeneesi toimii nuMSM:ssä siten, että kun steriilit neutriinot muuttuvat varhaisessa maailmankaikkeudessa tavallisiksi neutriinoiksi, niin syntyy hieman enemmän neutriinoja kuin antineutriinoja, ja tämä ero sitten siirtyy Higgsin kentän jäätyessä muulle aineelle, ja lopulta protoneille. Mekanismin käytäntö on hyvin sotkuinen, joten ei mennä siihen tässä.

Tämä herättää myös kysymyksen siitä, että eikö tavallisten neutriinojen muuttumista steriileiksi sitten ole nähty kokeissa? Neutriinoja kuitenkin tutkitaan nykyään tarkasti, kuten surullisenkuuluisa OPERA teki tunnetuksi. Tällaisesta muuttumisesta on itse asiassa ollut joitakin ristiriitaisia vihjeitä, mutta ilmiötä ei ole koskaan luotettavasti havaittu, joten neutriinojen ja steriilien neutriinojen muutostodennäköisyyden pitää olla erittäin pieni.

Steriili neutriino voi myös hajota tavalliseksi neutriinoksi ja fotoniksi. Koska maailmankaikkeudessa on paljon pimeä ainetta, niin taivaalla pitäisi näkyä hajoamisesta tulevia röntgensäteitä. Jotta nuMSM toimisi, mutta kevyintä steriiliä neutriinoa ei olisi vielä näkynyt, sen massan pitää olla noin satatuhatta kertaa protonin massaa pienempi, ei enempää eikä vähempää. Koska sen hajoamisessa syntyvän röntgensäteen energia on puolet sen massaan liittyvästä energiasta, tiedetään melko tarkasti mitä etsiä. Kuten muiden pimeän aineen kandidaattien annihilaation kanssa, ongelmana on kuitenkin se, että taivaalla on kaikenlaista säteilyä, eikä ole yksinkertaista setviä, mikä siitä on peräisin pimeästä aineesta ja millä on arkisempi alkuperä.

Steriilien neutriinoiden näkeminen hiukkaskiihdyttimissä on vaikeaa, koska ne vuorovaikuttavat niin heikosti. Sitä varten tarvitaan kokeita, joissa ei panosteta törmäysten energiaan vaan lukumäärään, ja jotka on suunniteltu havaitsemaan steriilien neutriinoiden signaaleja, jotka ovat erilaisia kuin raskaiden hiukkasten, joihin LHC keskittyy. Mutta niitä voi etsiä myös galaksien muotoja tutkimalla.

Jos pimeä aine on nuMSM:n steriilejä neutriinoita, niin se saattaa selittää, miksi maailmankaikkeudessa nähdään vähemmän kääpiögalakseja kuin mitä simulaatioiden perusteella odottaisi. Steriilit neutriinot voivat auttaa asiaa, koska ne liikkuvat nopeasti ja pyyhkivät kääpiögalaksien siemeninä toimivia klimppejä aineen jakaumassa pois ennen kuin ne ehtivät kasvaa. Ne voisiat samaan tapaan tasoittaa galaksien keskustojen tiheyttä, mikä vaikuttaa sekin olevan todellisuudessa pienempi kuin simulaatioissa.

Tähän on tosin laitettava sellainen iso varaus, että ilmeisesti nämä piirteet on mahdollista selittää ilman mitään ylimääräistä fysiikkaa, kunhan vain tekee realistisempia simulaatioita. Mutta asian voi kääntää toisin päin: mitä vähemmän tilaa galakseissa on ylimääräiselle sotkemiselle, sitä helpompi on havaita tai sulkea pois uusia hiukkasia, jotka vaikuttaisivat niihin.

nuMSM:n steriili neutriino taitaa olla lempikandidaattini pimeäksi aineeksi. nuMSM on hyvin motivoitu, yksinkertainen ja vieläpä kokeellisesti lähiaikoina varmennettavissa tai poissuljettavissa. Siinä missä supersymmetriassa ja teknivärissä otetaan mukaan uudenlainen teoreettinen idea, jolla on kauaskantoisia seurauksia, kolmen steriilin neutriinon lisäämistä voi pitää vain Standardimallin kauneusvirheen korjaamisena. nuMSM:ssä tästä pienestä lisästä otetaan kaikki irti.

Hiukkasfysiikassa on totuttu siihen, että korkeammilla energioilla tulee aina vastaan paljon uutta fysiikkaa, esimerkiksi suunnitelmat seuraavista kiihdyttimistä perustuvat siihen odotukseen, että niistä avautuu uusi rikas ilmiömaailma. nuMSM menee eri suuntaan, eikä lupaile keidasta seuraavan kummun taakse. Jos tavoitteena on havaintojen selittäminen, niin nuMSM on kelpo paketti, mutta kun halutaan käyttää havaintoja todellisuuden ymmärtämiseen syvemmällä tasolla, niin se tuntuu pettymykseltä. Eräs kollegani totesikin, että nuMSM on hieno idea, ja hän todella toivoo, että se ei pidä paikkaansa.

19 kommenttia “Kauneusvirheen korjaaminen”

  1. Lentotaidoton sanoo:

    Räsänen: Voi ajatella, että hiukkasen lisäksi on olemassa antihiukkanen, ja toinen tekijä kaksi liittyy ominaisuuteen nimeltä spin, josta ei tässä sen enempää. Jos neutriinoillekin antaa kaksi uutta komponenttia, niin uudet komponentit voi käsittää uusiksi hiukkasiksi, steriileiksi neutriinoiksi

    Vaikka et tässä lähtenyt selvittämään asiaa sen enempää, uskoisin että yleisenä toivomuksena olisi valaista hieman myös asian tätä puolta asiantuntijan suulla. Eli on kyse fermionien spineistä. Tiedämme, että heikot vuorovaikutukset (toisin kuin muut vuorovaikutukset) kytkeytyvät vain vasenkätisiin hiukkasiin (ja oikeakätisiin antihiukkasiin). Eli kiraalisuus.

    Selitä helikalisuus eli spin mitattuna sen liikesuuntaisen akselin mukaan. Tilanne fermioneilla ennen ja jälkeen symmetriarikon (massaton/massallinen). Selitä myös pariteetin rikkoutuminen. Eli oikeakätisten neutriinojen kysymys.

    Selitä myös asiaan liittyvät termit: Diracin versus Majoranan massatermi (eli onko neutrino oma antihiukkasensa, neutriinoton kaksoibeetahajoaminen). Liittyy myös nk kiikkulautamekanismi-teoriaan.

    Nämä ovat ehkä niin laajoja kysymyksiä, että näille tarvittaisiin aivan oma stoorinsa? Toivottavaa kuitenkin olisi, että se stoori kuultaisiin.

  2. Syksy Räsänen sanoo:

    Lentotaidoton:

    Voi olla, että kirjoitan vielä spinistä, mutta kätisyys on mielestäni tänne liian tekninen aihe. Kiikkulautamalliin neutriinoiden massoille voisi kenties joskus palata.

  3. Jyri Tynkkynen sanoo:

    Yhdyn täysin Lentotaidottoman pyyntöihin.

  4. Mika sanoo:

    Itseänikin kiinnostaisi kuulla – vaikka sitten vähän teknisempikin – kirjoitus spiniin liittyen.

    Kirjoitit artikkelissa, että ”kun steriilit neutriinot muuttuvat varhaisessa maailmankaikkeudessa tavallisiksi neutriinoiksi, niin syntyy hieman enemmän neutriinoja kuin antineutriinoja”. Oletan, että tuo nuMMS malli antaa tälle tapahtumalle järkeenkäyvän ja enemmän tai vähemmän koherentin selityksen, miksi näin käy? Muutenhan se ei selittäisi sen enempää aineen ja antiaineen epäsuhdasta kuin aiemmatkaan teoriat?

  5. Syksy Räsänen sanoo:

    Mika:

    Lisäänpä spinin mahdollisesti tulevien aiheiden listaan.

    Jo Standardimallissa aine ja antiaine käyttäytyvät eri tavoin, mutta eivät tarpeeksi vahvasti, että se selittäisi niiden havaitun eron suuruuden. nuMSM:ssä näitä eroja aineen ja antiaineen välille tulee lisää, kun neutriinoja tulee useampia.

    Havaitun epäsymmetrian selittäminen tosin vaatii aivan tietynlaista suhdetta kahden raskaimman neutriinon massoille (niiden täytyy olla lähes samat suurella tarkkuudella), mikä on toisaalta mallin selkeä ennuste.

  6. Lentotaidoton sanoo:

    Niin tuo Bezrukovin ja Shaposhnikovin malli tosiaan ”lupaa” paljon (eikä mitään uutta energiaskaalaa sähköheikon ja Planckin välissä tarvita):

    ”The inflation mechanism we discussed has in fact a general character and can be used in many extensions of the SM. Thus, the νMSM of [36, 37] (SM plus three light fermionic singlets) can explain simultaneously neutrino masses, dark matter, baryon asymmetry of the universe and inflation without introducing any additional particles (the νMSM with the inflaton was considered in [30]). This provides an extra argument in favour of absence of a new energy scale between the electroweak and Planck scales, advocated in [32]”

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Higgs-inflaatio ja nuMSM ovat erillisiä ideoita. Higgs-inflaatio on Bezrukovin ja Sahposhnikovin käsialaa, ensiksi mainittu ei olllut nuMSM:n kehittäjiä.

  7. Eusa sanoo:

    Kyllähän neutriinoissa on potentiaalia yhtenästeorian perusmekanismiksi, sitä mahdollisuutta ei käy kiistäminen. Kiitos hyvästä katsauksesta, täytyypä perehtyä onko miten komponenttisuutta idean taustalla…

    Alustavasti kirjoittajien tuotantoa selailtua näyttäisi, että ajatus Higgsin yleistämiseksi gravitaatioon kaiken massan mekanismin osana oli mukana työkalupakissa ja vaikutti lupaavalta…

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      ”Alustavasti kirjoittajien tuotantoa selailtua näyttäisi, että ajatus Higgsin yleistämiseksi gravitaatioon kaiken massan mekanismin osana oli mukana työkalupakissa”

      Ei ollut.

      1. Eusa sanoo:

        Miten on tulkittava ”An essential requirement is the non-minimal coupling of the Higgs scalar field to gravity.” ?

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Se liittyy Higgsin käyttämiseen inflaatiossa, ks. https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/kaanteita-taivaankannen-selityksessa/ .

          Koska tämä ei juuri liity aiheeseen, niin ei siitä sen enempää.

  8. Pentti S. Varis sanoo:

    Jos tutkija olettaa ”uusien” hiukkasten ilmestyvän hyvin suuria energioita käytettäessä, niin ovatko nämä hiukkaset tai niiden matemaattiset(?) muodot ennen tarvittavan energian tuloa hänen mielestään jollain tavalla koodattuja vakuumin substanssiin? Ja onko vakuumi niitä täynnä, niin, että tapahtuipa energiaa tuova törmäys missä tahansa, uusi hiukkanen voi ilmetä?

  9. Syksy Räsänen sanoo:

    Pentti S. Varis:

    Hiukkaset ovat kenttien paikallisia tihentymiä, niitä vastaavat kentät ovat aina olemassa. Hiukkastörmäyksissä kentät häiriintyvät, ja niihin syntyy hiukkasta vastaava aalto.

    Ks. http://www.tiede.fi/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/naennainen_todellisuus

  10. Mika sanoo:

    Pahoittelut aiheen viereen menevästä kommentista, mutta koska täälläkin ihmiset välillä ovat esittäneet hyvinkin monipuolisia kysymyksiä joihin Syksy ei aina blogin aihepiirissä pysyäkseen halua vastata, niin ajattelin tuoda esiin tällaisen palvelun olemassaolon: http://backreaction.blogspot.fi/p/talk-to-physicist_27.html

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *