Kuusikon uudet seikkailut

26.4.2018 klo 22.44, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Pimeä aine on yksi kosmologian neljästä eturivin ongelmasta. (Muut ovat kosminen inflaatio, kiihtyvä laajeneminen –jonka takana on kenties pimeä energia– ja baryogeneesi.)

Vaikka pimeää ainetta voi vielä järkevästi epäillä, se on yksinkertaisin selitys monille havainnoille, ja on ennustanut paljon oikein. Niinpä pidetään luultavana, että pimeää ainetta on olemassa. Keskeinen kysymys on se, mistä pimeä aine tarkalleen koostuu.

Havaintojen perusteella pimeän aineen hiukkaset vuorovaikuttavat heikosti valon kanssa (eli ovat näkymättömiä), elävät kauan (selvästi maailmankaikkeuden ikää kauemmin) ja liikkuvat paljon valonnopeutta hitaammin. Lisäksi tiedetään, että pimeä aine on noin 80% maailmankaikkeuden ainesisällöstä, loput on tavallisia ytimiä ja elektroneja.

On olemassa satoja malleja sille, millaisista uusista hiukkasista on kyse: olen aiemmin kirjoittanut supersymmetrisistä partnereista, oikeakätisistä neutriinoista ja aksioneista. Eräs yksinkertaisuudessaan sykähdyttävä vaihtoehto on se, että pimeä aine rakentuisikin tunnetuista hiukkasista, nimittäin Standardimallin kvarkeista.

Tavallisen aineen atomiytimet koostuvat protoneista ja neutroneista, jotka puolestaan muodostuvat up– ja down-kvarkeista. Koska pimeä aine ei havaintojen mukaan juuri vuorovaikuta valon kanssa, sen hiukkasilla ei voi olla sähkövarausta. Jos pimeän aineen hiukkanen olisi atomiydin, sen pitäisi kasautua kokonaan neutroneista. Tällaiset atomiytimet eivät kuitenkaan ole stabiileja: yksinäinen neutroni hajoaa 15 minuutissa, useampien kokoelma sekunnin murto-osassa.

Pitkäikäisyyttä on vaikeaa saavuttaa. Tyypillisesti hiukkaset ovat nimittäin epästabiileja: pitää olla jokin erityinen syy, joka estää hiukkasta hajoamasta.

Esimerkiksi elektroni on stabiili siksi, että se on kevyin hiukkanen, jolla on sähkövaraus. Koska energia ja sähkövaraus säilyvät, ei ole mitään mihin elektroni voisi hajota. Protoni puolestaan on stabiili, koska se on kevyin hiukkanen, jolla on baryoniluku. Baryoniluku laskee, kuinka monta kvarkkia miinus antikvarkkia on olemassa. Jokaisella kvarkilla on baryoniluku +1/3 ja antikvarkilla -1/3. Kuten sähkövaraus, baryoniluky säilyy: aina kun syntyy yksi kvarkki, pitää syntyä yksi antikvarkki. Protonissa ja neutronissa on molemmissa kolme kvarkkia, eli niiden baryoniluku on +1.

Yhdistelmähiukkaset voivat olla stabiileja, jos niiden osaset ovat niin niin tiukasti sitoutuneita, että kokonaisuuden massa on pienempi kuin mikä tahansa saman baryoniluvun ja sähkövarauksen omaavien kevyempien ytimien kokoelma. Esimerkiksi helium-4-ytimessä on kaksi protonia ja kaksi neutronia, jotka ovat niin vahvasti kytköksissä, että ytimen massa on pienempi kuin kahden erillisen protonin ja neutronin (tai kahden deuterium-ytimen, tai muiden mahdollisten yhdistelmien) yhteenlaskettu massa. Koska helium-4:n baryoniluku on +4, ei siis ole mitään mihin se voisi hajota: joko baryoniluku ei säilyisi tai energia ei säilyisi.

Vanhastaan tunnettuja kvarkeista koostuvia hiukkasia ovat baryonit (kuten protoni ja neutroni), joissa on kolme kvarkkia, ja mesonit, joissa on yksi kvarkki ja yksi antikvarkki. Hiljattain LHC:ssä ja muissa kiihdyttimissä on kuitenkin nähty tetrakvarkkeja, joissa on kaksi kvarkkia plus kaksi antikvarkkia, sekä pentakvarkkeja, joissa on neljä kvarkkia ja yksi antikvarkki. Ne ovat ainesosasiaan raskaampia ja siksi epästabiileja, mutta kuusi kvarkkia sisältävä heksakvarkki voisi olla tarpeeksi kevyt.

Stabiilin heksakvarkin rakentamiseksi pitää mennä up- ja down-kvarkkeja edemmäksi kalaan. Standardimallissa on myös kvarkit strange, charm, top ja bottom. Charm, top ja bottom ovat niin raskaita, että niistä ei ole toivoa pistää kasaan tarpeeksi kevyttä hiukkasta. Mutta kaksi uppia, kaksi downia ja kaksi strangea voisi olla voittorivi. Jos ne ovat tarrautuneet tarpeeksi tiukasti yhteen, yhdistelmän massa voisi laskea alle kahden neutronin (ja muiden mahdollisten hajoamistuotteiden) massan alle, kuten helium-4:n kohdalla. Tällainen hiukkanen olisi täysin stabiili. Kuuden kvarkin vuorovaikutuksia ei tunneta tarkkaan, mutta tämä on mahdollista.

Heksakvarkki olisi siis mahdollinen pimeän aineen kandidaatti, mutta mistä niitä syntyisi? Tämä on itse asiassa idean yksi etu: jos pimeä aine koostuu heksakvarkeista, niiden alkuperä on sama kuin kevyiden atomiydinten. Maailmankaikkeuden ensimmäisen sekunnin tiimoilla aine on kuumaa keittoa, jossa on irrallisia protoneita, neutroneita ja muita kvarkeista koostuvia hiukkasia. Kun keitto on kuumaa, hiukkasia syntyy ja hajoaa jatkuvasti. Kun keitto jäähtyy, epästabiilit hiukkaset katoavat ja stabiilit jäävät jäljelle. Heksakvarkki voi syntyä muiden kvarkkeja sisältävien hiukkasten yhdistelmänä, kuten protonit ja neutronit. Ydinreaktioiden tarkempi syynääminen osoittaa, että heksakvarkkeja voi helposti syntyä oikea määrä.

Yhteinen alkuperä selittäisi kätevästi sen, miksi pimeää ainetta ja tavallista ainetta on suunnilleen yhtä paljon. Useimmissa pimeän aineen malleissa sillä ja tavallisella aineella ei ole mitään tekemistä keskenään, joten on outoa, että niitä on melkein saman verran.

Jos heksakvarkit ovat pimeää ainetta, miksi niitä ei ole havaittu? Pimeää ainetta on etsitty monin tavoin, mutta mitään ei ole näkynyt. Tyypilliset pimeän aineen mallit selittävät asian siten, että pimeän aineen ja tavallisen aineen välinen vuorovaikutus on hyvin heikko. Heksakvarkkien tapauksessa ratkaisu on päinvastainen. Ne vuorovaikuttavat niin voimakkaasti, etteivät eivät koskaan pääse detektoreihin, jotka ovat tyypillisesti syvällä maan alla, vaan törmäävät sen sijaan ilmakehään tai maan kamaraan.

Kaikki ei kuitenkaan mene nappiin. Koska heksakvarkin massa on pieni ja kvarkkien sidos tiukka, raskaammat ytimet voivat hajota heksakvarkiksi ja kevyemmäksi ytimeksi, kuten ne hajoavat helium-4:ksi ja kevyemmäksi ytimeksi. Tiukimmat rajat tälle antaa Kamiokan kaivoksessa oleva Super-Kamiokande-koe, joka vaanii hajoamissignaaleja pimeässä tankissa, jossa on 50 000 tonnia vettä. Mitään ylimääräistä ei ole nähty, mikä tarkoittanee sitä, että stabiileja heksakvarkkeja ei ole. (Hajoamisten todennäköisyys riippuu heksakvarkkien sisärakenteesta, mistä ei ole varmuutta, mutta sellaista rakennetta, joka pitäisi hajoamisen tarpeeksi harvinaisena, pidetään hyvin epätodennäköisenä.)

Vaikka heksakvarkkien tarinalla ei olisi onnellista loppua, se on opettavainen. On vaikea tietää etukäteen, mitä merkkejä pitää seurata ja mistä suunnasta ratkaisu löytyy. Se, että pimeää ainetta ja tavallista ainetta on suunnilleen yhtä paljon voi olla tärkeä vihje, joka viittaa niiden yhteiseen alkuperään – tai kummallinen sattuma. Heksakvarkkien kohdalla moni asiaa loksahtaa paikoilleen, kunnes vastaan tulee ydinten stabiilius. Tämä havainnollistaa, miten tärkeää on yhdistellä eri teorioita ja havaintoja, tässä tapauksessa ydinfysiikkaa, kosmologiaa ja lopulta Super-Kamiokande-koetta, joka etsi merkkiä hiukkasfysiikan yhtenäisteorioista ja löysi sen sijaan neutriinojen massat – molemmat asioita, joilla ei ole heksakvarkkien kanssa mitään tekemistä. Kokeista on usein hyötyä tutkimukselle, jota varten niitä ei ole suunniteltu, ja teoreettinen tuntemus valaisee joskus yllättäviä nurkkia.

22 kommenttia “Kuusikon uudet seikkailut”

  1. Eusa sanoo:

    Jos sinun tulisi löytää *psykologinen* selitys sille, että ihmiset mielellään teoretisoivat, että:
    a) on olemassa tapahtumahorisontteja ja madonreikiä
    b) lomittuminen kertoo ei-lokaaleista kytkennöistä
    c) pimeä aine koostuu hiukkasista, jotka laumailevat tavallisen aineen suhteen vakioisesti

    … niin mahtaisiko vastaus olla helposti vai vaikeasti keksittävä? Edellyttää vain hetkeksi totaalista uskomusviitan pudottamista.

    Ihmismieli toivoo aikamatkustusta tai teleportaatiota tai krijon uusia tutkittavia hiukkasia ja vähintäänkin ne mahdollistavien suhteellisuusteoreettisten sekä kvanttimekaanisten tulkintojen elossa pysymistä…

    Useimpien hypoteesien kohdalla tulee aika, jolloin havainnot lopulta kääntävät logiikan (ainakin jälkikäteen katsoen) ”tylsän” johtopäätöksen puolelle…

    Mutta ei puuduttava logiikkakaan estä uuden fysiikan löytymistä sitkeällä puurtamisella ja sitä kauttakin hankituin onnenpotkuin höystettynä. Siitä mm. P.A.M. Diracin elämä oli mainio esimerkki – hedelmiä poimitaan yhä.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Tähän on koottu aivan erilaisia asioita, enkä ymmärrä kohtia b ja c, joten tämä riittäköön tästä.

  2. Mika sanoo:

    Pimeää ainetta ja tavallista ainetta on suunnilleen yhtä paljon, mutta kuitenkin pimeä aine on noin 80% maailmankaikkeuden ainesisällöstä?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Suunnilleen yhtä paljon, eli pimeää ainetta on vain 4-5 kertaa niin paljon kuin tavallista ainetta.

      1. Lentotaidoton sanoo:

        ”Karkeella halolla” mitaten 🙂

  3. MrPressure sanoo:

    Sellainen mielikuva että olisin joskus lukenut hiukkaskiihdyttimessä hiukkasten laajenevan oliko se jopa kahdeksan kertaa normaalia isommiksi. Kirja liittyi muistaakseni jotenkin Einsteiniin. Onko huuhaata tuo?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Hiukkaset eivät laajene kiihdyttimissä, ne sen sijaan Lorentz-kontraktion takia kutistuvat monta tuhatta kertaa ohuemmiksi menosuunnassa. Tämä on sen verta kaukana merkinnän aiheesta, että ei tästä sen enempää.

  4. Sunnuntaikosmologi sanoo:

    Hieman epäselväksi jäi että mikä on heksakvarkkiteorian osakkeiden arvo. Jos osakkeita on, niin kannattaako ostaa lisää, pitää ne jotka on, vai pyrkiä pääsemään eroon niistä ?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Osakkeiden hintahan määräytyy siitä, minkä arvoisiksi suurin osa sijoittajista katsoo ne.

      Useimpien usko heksakvarkkeihin on ollut alhainen alusta asti (niitä on jo vuosia tutkittu. Nykyään kaiketi monet pitävät niiden osakkeita jokseenkin arvottomina. (Itse olen konservatiivisempi.)

  5. Lentotaidoton sanoo:

    Räsänen: ”On vaikea tietää etukäteen, mitä merkkejä pitää seurata ja mistä suunnasta ratkaisu löytyy”.

    Yht ´äkkiä miettien löytyy liuta esimerkkejä: taustasäteily löytyi ”vahingossa”, tutkittiin aivan muuta. Planckin ”hullu” idea diskreettisyydestä kun oli ajauduttu umpikujaan. 1987A supernovasta löydettiin 19 varmaa neutrinoa, tutkittiin mahdollista protonin hajoamista, tuloksena neurinoastronomia. Kosmoksen kiihtyvä laajeneminen kun tutkittiin juuri päinvastaista. Pulsarien löytö. Ameriikan löytö. Hoylen hiililöytö. Tietysti tämä iänikuinen Newton ja omena tarina. Flemingin bakteeriviljelmät tuhoutuivat, tuloksena antibiootit. Galvanin sammakonkoivet. Kaksoiskierteen tai bentseenin ”unennäöt”. Rosettan kivi. Arkhimedes ja heureka. Röntgensäteet. Jne jne, soveltavassa materiaalifysiikassa iso liuta ”vahinkoja”.

  6. Erkki Kolehmainen sanoo:

    ”Kokeista on usein hyötyä tutkimukselle, jota varten niitä ei ole suunniteltu, ja teoreettinen tuntemus valaisee joskus yllättäviä nurkkia.”

    Vaihtaisin sanan ”usein” sanaan ”joskus”. Kokeita voi tehdä loputtomasti, jos niitä ei suunnitella huolella. Koetta suunniteltaessa on tekijöillä hypoteesi, jonka oikeellisuus kokeella tahdotaan selvittää. Jos koe antaa halutun tuloksen, niin hyvä, mutta jos ei, niin joko hypoteesi on väärä tai sitten itse kokeen järjestely on puutteellinen. Jos jälkimmäinen vaihtoehto on totta, kuten esim. Flemingin bakteeriviljelmien kanssa, niin oli onnenkantamoinen, että Fleming huomasi ihmetellä, miksi bakteerit kuolivat. Suurin osa puutteellisesti suunnitelluista kokeista ei anna mitään uutta tietoa vaan ovat pelkkää henkisten ja aineellisten resurssien tuhlausta. Hyvä esimerkki ovat pimeän aineen havaitsemiseksi tehdyt kokeet, joita tehdään, vaikkei tiedetä, onko pimeää ainetta edes olemassa. Samojen resurssien suuntaaminen johonkin muuhun kohteeseen olisi ehkä tuotos-panos-suhteeltaan parempi?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Pimeästä aineesta on paljon todistusaineistoa, ja se on paljon parempi selitys havainnoille kuin uudenlainen gravitaatiolaki (mikä on ainoa toinen vaihtoehto). Sitä voi kuitenkin vielä epäillä.

      Jos pimeän aineen olemassaolo tiedettäisiin varmasti, sitä ei tarvitsisi enää etsiä.

      1. Eusa sanoo:

        Miten tiedemies voi ajatella, että olisi olemassa vain ”ainoita vaihtoehtoja”?

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Johdonmukaisesti.

          1. Eusa sanoo:

            Energiasisältö määrää yleisessä suhteellisuusteoriassa gravitaation. Olet siis sitä mieltä, että kaikki energia voidaan redusoida ainehiukkasiksi?

            Ovatko valo ja gravitaatiosäteily mielestäsi ainetta? Esim. peileillä loukutettu valo gravitoi peilikehän ulkopuolelle. Onko kyseessä aine vai jokin muu energia?

            Myös periaatteessa samasta teoriasta on eri tulkintoja. Onko arvokkaampi nykytulkinta YST:sta vai Einstein-Grossman tilanne 1913, jossa vielä haluttiin saada gravitaatiokentän energia osaksi kovarianttia esitystä, mutta josta luovuttiin oikaisten 1915 alkaen…?

            Suunnilleen kaikki ymmärtävät, että jollain tavalla gravitaatioteoriaa muunnettaneen ainakin niin, että kvanttimekaniikan perturbatiivisyys voisi olla sen kanssa yhteensopivampaa.

            Tiedemiehelle aine ja gravitaatiolaki eivät saisi olla ainoita vaihtoehtoja toisilleen laajassa kuvassa, mutta myös pimeän massan ongelmassa, kuten kaikissa tieteen ongelmissa, yllätysvaihtoehtoja mietitään. Mm. jokin pimeän sektorin muukin geometrinen mekanismi kuin aine tai gravitaatio”vuorovaikutus” on välillä ollut esillä.

            Ehdottomuus ei tieteenfilosofisteja miellyttäne, teologeja ehkä ennemminkin.

          2. Syksy Räsänen sanoo:

            Yleisessä suhteellisuusteoriassa aineen ominaisuudet (erityisesti energiatiheys ja paine) vaikuttavat aika-avaruuden geometriaan. Aine sisältää tässä myös massattomat hiukkaset kuten fotonit.

          3. Eusa sanoo:

            Riemannin kaarevuusgeometrian einsteinilainen sovellus neliulotteiselle avaruusajalle on mielestäni oikeastaan enemmänkin itsestäänselvä kuvaus kuin teoria. On vaikea kuvitella gravitaatiolakia, joka ei noudattaisi paikallisesti tuota symmetriapeliä. Silloin tulisi tosiaan löytää tarve useammalle riippumattomalle vapausasteelle.

            Entäpä emergentti gravitaatio? Eikö se ole periaatteeltaan tukevasti yhteensopiva ainesisällön merkityksen kanssa?

            Kun aine käsitetään laajasti kuten esitit, enpä minäkään näe gravitaatiolle yleisen suhteellisuusteorian periaatteiden ulkopuolista lainalaisuutta mahdolliseksi – joitain tulkintamahdollisuuksiahan on ratkaisujen kelpoisuuksissa.

            Itse pidän erillään valonluontoisen ja massallisen energian; valonluontoinen on gravitaation muutossignalointia ja massallinen itse gravitaatiota.

  7. Erkki Kolehmainen sanoo:

    Tiedemies ei poikkea mitenkään tavallisesta ihmisestä. Kaikkien ihmisten ajattelulle on tyypillistä paradigma eli yksi totuus ja sen korvaaminen uudella on hidas ja vaikea prosessi. Thomas Kuhn on kirjoittanut tästä aiheesta varsin ansiokkaasti. https://en.wikipedia.org/wiki/Thomas_Kuhn

  8. Erkki Kolehmainen sanoo:

    Ja nynnyjen etsintä vaan jatkuu! https://phys.org/news/2018-05-world-sensitive-dark.html

  9. Lentotaidoton sanoo:

    Jos nuo ”nynnyt” eivät avautuneet, niin WIMP englanniksi tarkoittaa nynnyä, nössöä suomeksi 🙂

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *