Myötä- ja vastoinkäymisissä

25.5.2018 klo 13.09, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Pimeä aine on selittänyt ja ennustanut onnistuneesti useita erilaisia havaintoja. Toistaiseksi kuitenkin kaikki todisteet pimeän aineen puolesta perustuvat siihen, miten sen gravitaatio vaikuttaa aineen ja valon liikkeisiin. Pimeän aineen hiukkasen löytäminen varmistaisi, että selitys on todella oikea.

Pimeää ainetta on etsitty monin konstein: on syynätty pimeän aineen hiukkasten ja antihiukkasten annihilaation tai hajoamisen merkkejä taivaalta sekä Maan ja Auringon ytimestä, tutkittu pimeän aineen syntymistä hiukkaskiihdyttimissä, luodattu sen vaikutuksia tähtien kehitykseen sekä neutronitähtien rakenteeseen ja törmäyksiin, sekä odotettu sen tönäisyjä maan alla. Toistaiseksi pimeästä aineesta ei ole löytynyt kiistattomia todisteita, kiisteltyjä kylläkin.

Koeryhmä nimeltä DAMA on jo vuosia väittänyt löytäneensä pimeän aineen, mutta muu tiedeyhteisö ei ole vakuuttunut. Yleensä havaintoihin liittyvissä erimielisyyksissä on kyse joko siitä että signaali on uusi, joten mahdollisia systemaattisia virheitä ei ole ehditty syynätä (kuten valoa nopeampien neutriinojen ja BICEP2:n gravitaatioaaltojen tapauksessa), tai siitä että ne eivät ole tilastollisesti merkittäviä, joten lukuja voi tulkita eri suuntiin. DAMAn kohdalla on toisin: koeryhmä on kerännyt dataa vuodesta 1995 asti, ja signaali on samanlainen vuodesta toiseen. Ryhmän maaliskuussa julkistamien uusimpien tulosten myötä DAMA on ilmoittanut löytäneensä pimeän aineen hiukkasen nyt jo 99.999999999999999999999999999999999996% todennäköisyydellä.

Ongelmana on se, että yksikään muu ryhmä ei ole pystynyt toistamaan havaintoja. DAMA on yksi monesta kokeesta, joka etsii merkkejä siitä, että pimeä aine tönii tavallista ainetta. Jos pimeää ainetta on olemassa, niin sitä on kaikkialla Linnunradassa, myös Maapallon kohdalla. Niinpä pimeän aineen hiukkaset toisinaan törmäävät tavallisen aineen hiukkasiin. Tätä on verraten helppo tutkia: otetaan koepala, eristetään se häiriöistä ja odotetaan, tuleeko potkuja.

Pimeä aine vuorovaikuttaa tavallisen aineen kanssa heikosti, ja potkujen tahti ja riippuu siitä, millaisesta hiukkasesta on kyse. Tällä tavalla ei löydä aksioneja, steriilejä neutriinoja eikä heksakvarkkeja, mutta menetelmä on omiaan nynnyjen kaltaisten hiukkasten näkemiseen.

Vaikka nynnyt vuorovaikuttavat heikosti, ongelmana ei ole tönäisyjen havaitseminen, vaan niiden erottaminen taustakohinasta. Kaikki aine on radioaktiivista, ja ydinten hajoamisessa syntyvät hiukkaset tärisyttävät koepalaa koko ajan.

Useimmat kokeet erottelevat pimeän aineen ja radioaktiivisuuden signaalit mittaamalla koepalan värähtelyn lisäksi joko valosignaalin tai koepalasta irti lähtevän sähkövarauksen, tai muut kaksi signaalia näistä kolmesta. Radioaktiivisuus ja pimeä aine tuottavat erilaiset yhdistelmät värähtelyä, valoa ja sähkövarauksia. Tällaiset kokeet ovat toisinaan saaneet vihjeitä pimeästä aineesta, mutta lopulta käteen on jäänyt vain entistä vahvempia rajoja sille, miten voimakkaasti pimeän aineen hiukkaset voivat vuorovaikuttaa.

DAMA mittaa vain valonvälähdyksiä, eikä yritäkään erottaa, mitkä yksittäiset potkut ovat peräisin pimeästä aineesta. Sen sijaan koe käyttää hyväkseen liikettämme pimeän aineen tuulessa.

Pimeän aineen hiukkaset kulkevat yhtä lailla eri suuntiin, niin että keskimäärin pimeä aine on levossa Linnunradan suhteen. Kun Aurinkokunta taivaltaa Linnunradan ympäri, liikkeestä aiheutuu näennäinen pimeän aineen tuuli. Maan kiertäessä Aurinkoa kuljemme välillä tuulen suuntaan ja välillä tuulta vastaan. Pimeän aineen hiukkasia kulkee Maapallon halki enemmän tuulta vastaan käydessä ja vähemmän samaan suuntaan käydessä.

DAMA ei välitä potkujen kokonaismäärästä, vaan keskittyy niiden muutokseen ajan myötä. Se näkee maksimin kesäkuun 2. päivä ja minimin puolen vuoden kuluttua siitä, juuri Aurinkokunnan ja Maan liikkeen suuntien perusteella odottaisi, jos kyse on pimeästä aineesta. Myös vuosittaisen vaihtelun muoto ja suuruus vastaa odotuksia. Sama pätee potkujen energiaan: liian kevyet tai vahvat potkut (jotka eivät oletettavasti johdu pimeästä aineesta) eivät vaihtele kuukausien myötä, ainoastaan sopivan suuruiset. Signaali selittyy kauniisti pimeän aineen hiukkasella, jonka massa on noin 10 tai 70 protonin massaa.

Jos havainnoista olisi vastuussa pimeän aineen hiukkanen, joka on niin yksinkertainen kuin mitä yleisimmin odotetaan, niin muiden kokeiden olisi pitänyt nähdä se myös. Toisin sanoen joko pimeä aine on odotettua monimutkaisempaa tai DAMAn koetulosten tulkinta on väärin.

On monia asioita, jotka vaihtelevat vuoden kiertokulussa: lämpötila, kosteus ja niin edelleen. Ne voivat periaatteessa vaikuttaa koelaitteiden herkkyyteen, ja DAMAn koepalassa tiedetään olevan Potassium40-ytimiä, joiden hajoamistuotteista tulee juuri sen suuruinen potku kuin minkä koe näkee. Koeryhmä sanoo kuitenkin käyneensä huolellisesti läpi kaikki mahdolliset tekijät. DAMAn koe sijaitsee Italiassa 1400 metriä Gran Sasso -vuoren alla, hyvin eristettynä monista häiriöistä, kuten taivaalta satavista kosmisista säteistä.

Samassa luolassa DAMAn vieressä makaa kilpailija nimeltä XENON100, eikä se ole nähnyt mitään kuukausittaista vaihtelua signaalissa. Kokeet ovat toki erilaisia. DAMAn ensimmäinen koepala oli 100-kiloinen natriumjodidikristalli, sen seuraaja DAMA/LIBRA 250-kiloinen. XENON100 käyttää nimensä mukaisesti xenonia, jota on yhteensä 165 kiloa nestemäisessä ja kaasumaisessa muodossa. Tämä saattaa selittyä sillä, että pimeän aineen hiukkaset vuorovaikuttavat eri tavalla eri alkuaineiden kanssa, koska näiden ytimissä on eri määrä protoneita ja neutroneita.

Mutta vaikka on esitetty useita malleja, jotka voivat sovittaa havainnot yhteen, se ei poista sitä, että vain DAMA näkee signaalin. Asiasta pitäisi saada riippumaton vahvistus, ja DAMAlla on hieman epämääräinen maine. Esimerkiksi tismalleen samanlaista koetta ei ole voitu toistaa, koska DAMAn kristalli on patentoitu eikä koeryhmä anna kenenkään muun tehdä samanlaista DAMA on hankkinut yksinoikeuden käyttämänsä kristalliin, eikä salli muiden hankkia samanlaista eikä valmistusmenetelmän julkistamista. (Kristallin valmistaneen yrityksen edustajan mukaan yksinoikeus on tosin jo päättynyt.) On kuitenkin suunnitteilla koe SABRE, joka käyttäisi samantyyppistä natriumjodidikristallia. Koeryhmä laittaisi yhden kristallin Gran Sassoon ja vertailun vuoksi toisen Stawellin kaivokseen Australiassa. Projekti on kuitenkin ilmeisesti vastatuulessa, ja sen toteutuminen ja aikataulu ovat epäselviä.

Jos DAMA on oikeassa, se jää historiaan yhtenä vuosisadan vaihteen merkittävimmistä fysiikan kokeista, joka oli edellä muita ja sai tunnustusta vuosikymmeniä myöhässä. Jos DAMA on väärässä, se unohdetaan esimerkkinä ennenaikaisten väitteiden ja huolimattoman analyysin vaaroista. Tässä vaiheessa ei tiedetä, miten käy: onko DAMA antanut ratkaisevia vihjeitä pimeän aineen odottamattomasta luonteesta, vai onko sen seuraaminen harharetki.

Päivitys (28/05/18): Virhe DAMAn kristallin patentista korjattu.

21 kommenttia “Myötä- ja vastoinkäymisissä”

  1. DAMA-skeptikko sanoo:

    DAMA ei myöskään ole avannut tulosanalyysiaan useista pyynnöistä huolimatta. Jos kyseessä olisi heidän omasta mielestään todella varmalla pohjalla oleva tulos, luulisi että avoimuus ei tuottaisi ongelmia.

  2. Heikki Poroila sanoo:

    Kiitos tästä uutisen evaluoinnista, joka on esimerkillisen selkeä ja kiihkoton asiantuntijan avaus ei-asiantuntijalle monia kiinnostavasta aiheesta. Erityisen hyvin on esillä se, että sekä havaintoihin että niiden puuttumiseen voi olla useita eri syitä.

    DAMAn haluttomuus antaa muiden valmistaa identtistä koepalaa kuulostaa epäilyttävältä. Toisaalta on tietenkin niin, että pimeän aineen löytäjää odottava palkinto on niin haluttu, että ehkä se yksinään selittää tieteelle vieraan salailun. Toisaalta jos kukaan ei pysty toistamaan koetta, ei sitä palkintoakaan heru.

  3. Sunnuntaikosmologi sanoo:

    Pimeän aineen olemassaolo siis perustellaan sillä että tiettyjä syvän taivaan havaintoja ei voi selittää ellei ole jotain suurta ylimääräistä gravitaation lähdettä.
    Oman aurinkokuntamme ympyröissähän on painovoimaa, asteroidien ja planeettojen liikettä, y.m. mitattu erittäin suurella tarkkuudella. Miksei pimeän aineen paikallisesta gravitaatiovaikutuksesta ole mitään puhetta ?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Aurinko ja planeetat ovat paljon tiheämpiä kuin Linnunradan aine (mukaan lukien pimeä aine) keskimäärin, joten he hallitsevat Aurinkokuntaa. Pimeästä aineesta aiheutuvat korjaukset kappaleiden liikkeisiin ovat paljon nykyisten mittausten tarkkuuden alapuolella.

      Pimeä aine ei klimppiydy yhtä tehokkaasti kuin tavallinen aine, koska se ei pysty säteilemään energiaa pois ja jäähtymään. Kaasun jäähtymiseen liittyvä kutistuminen on keskeistä tähtien synnyssä.

  4. Eusa sanoo:

    Voisivatko DAMAn tulokset selittyä laitteistoriippuvalla neutriinovuon havainnoilla, jos tuollaista neutriinovuota poukkoilisi keskimäärin isotrooppisesti suhteessa galaksin haloon?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Ei. Neutriinoista johtuvat potkut ovat paljon pienempiä.

      1. Eusa sanoo:

        Niin, tunnetuista neutriinoista johtuvat potkut tiedetään.

        https://arxiv.org/pdf/1711.04531

        ”Above 30 MeV, the atmospheric neutrinos start to be dominant, with measurements above 150 MeV energy, and a total flux in the ballpark of a few/cm2/s. The above window is quite important because it corresponds to a momentum transfer scale that is associated with the optimum sensitivity region of dark matter detectors, such as large xenon-based detectors. Therefore, if there is an additional neutrino or neutrino-like component of dark radiation, the bottom of the direct detection ’neutrino floor’ can be closer than expected.”

  5. Cargo sanoo:

    Ehkä pimeää ainetta ei havaita sen takia, ettei kyseessä ole aine vaan aika-avaruuden ominaisuus, esim. rakenteellinen hilavirhe, joka antaa ylimääräistä kaarevuutta. En nyt spekuloi enempää, mutta kysyisin, että onko noiden havaitojen takana pakko olla massallinen hiukkanen?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Toinen vaihtoehto on se, että yleinen suhteellisuusteoria ei päde.

  6. Kari Leppälä sanoo:

    Olen ollut paljon tekemisissä patenttien kanssa. Patentit rajoittavat vain kaupallista hyödyntämistä. Tieteellisissä kokeisssa ja ei-kaupallisissa prototyypeissä voi käsittääkseni käyttää vapaasti mitä tahansa teknologiaa joka toimii. Olisiko tässä jokin vivahde jota en huomaa?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kiitos huomautuksesta! Tarkistin asian, ongelmana ei ole patentti (joka ei taida edes olla DAMAlla), vaan se, että DAMA on hankkinut yksinoikeuden kristalliin, eikä salli yrityksen kertoa miten se on valmistettu, eikä valmistaa sellaista kenellekään muulle.

      Olin aiemmin lukenut väitteitä, että yksinoikeus on ikuinen, mutta vuonna 2016 yrityksen kristallitutkija on kertonut, että yksinoikeusaika on jo loppunut:

      https://physicstoday.scitation.org/doi/full/10.1063/PT.3.3229

      1. Kari Leppälä sanoo:

        Näin se varmaan on. Ketään ei tietenkään voi painostaa paljastamaan teknisiä salaisuuksia, vaan kilpailijoiden on keksittävä kiteen tuottamisen niksit itse.

      2. Jernau Gurgeh sanoo:

        Minulla ei ole kokemusta patenteista, mutta olen ymmärtänyt, että patenttihakemuksessa pitää olla kaikki tieto siitä mitä ollaan patentoimassa. Esimerkiksi valmistusaineet ja/tai valmistusmenetelmä, prosessi (resepti). Muutenhan patenttia ei voida hyväksyä ellei tiedetä mitä patentoidaan. Ja kaikki tämä eli patentti on julkista tietoa.

        Edellä mainittu nimenomaan aiheuttaa pienille tekijöille tilanteen, että heidän ei kannata patentoida keksintöjään, koska silloin he joutuvat paljastamaan sen kaikille (isoille pelureille) eikä heidän resurssit riitä valvomaan patenttirikkomuksia, se kun jää aina patentinhaltijan omalle kontolle. (On parempi pitää omat reseptit salaisena ja toivoa, että isoilla pelureilla menee mahdollisimman kauan aikaa selvittää ne omin voimin.)

        Yritän siis sanoa, että tuo kristallin koostumus ja sen valmistusmenetelmä pitäisi olla juuri patentin takia julkista tietoa ja sen voisi siten valmistaa joku muu yritys kuin tuo joka toimittaa kristallit DAMAlle. Tässä oletuksena siis aiempi kommentti, jossa todetaan että patentti ei suojaa tieteelliseen tarkoitukseen käytettävää teknologiaa. Eli DAMAn ja heille kristallin toimittavan yrityksen ei pitäisi mitenkään pystyä estämään tätä, vaikka heillä on kahdenvälinen sopimus.

        Eri asia sitten on, mikä taho tai yritys tällaiseen lähtisi mukaan.

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          En siis tiedä, onko tuosta kristallista patenttia. Mutta vaikka se olisi julkinen, valmistustavan toteuttaminen alusta alkaen vain patentin pohjalta ei välttämättä ole helppoa.

  7. Lentotaidoton sanoo:

    Räsänen: Ongelmana on se, että yksikään muu ryhmä ei ole pystynyt toistamaan havaintoja.

    Eikö tämä ole epäviisasta (tyhmää?) toimintaa. JOS tosiaan DAMA on löytänyt pimeää ainetta niin tässä olisi ainesta todennäköisesti tulevaan Nobeliin. Jos muutkin (ja yleisesti tiedeyhteisö) olisi vakuuttunut, että pimeä aine on tällä (tai jollain läheisesti vastaavalla) tavalla löytynyt, niin DAMAhan olisi silloin se ensimmäinen ja oikeutettu palkintoon (näinhän Nobeleissa toimitaan). Siis miksi estäisi muitakin toteamasta samaa samalla menetelmällä? Vai olenko kokonaan hakoteillä?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Tätä SABREn johtaja Frank Calaprickin ihmettelee linkkaamassani Physics Todayn artikkelissa:

      https://physicstoday.scitation.org/doi/full/10.1063/PT.3.3229

  8. ”DAMA ei välitä potkujen kokonaismäärästä, vaan keskittyy niiden muutokseen ajan myötä. Se näkee maksimin kesäkuun 2. päivä ja minimin puolen vuoden kuluttua siitä, juuri Aurinkokunnan ja Maan liikkeen suuntien perusteella odottaisi, jos kyse on pimeästä aineesta. Myös vuosittaisen vaihtelun muoto ja suuruus vastaa odotuksia. Sama pätee potkujen energiaan: liian kevyet tai vahvat potkut (jotka eivät oletettavasti johdu pimeästä aineesta) eivät vaihtele kuukausien myötä, ainoastaan sopivan suuruiset. Signaali selittyy kauniisti pimeän aineen hiukkasella, jonka massa on noin 10 tai 70 protonin massaa.”

    Tämä on erittäin mielenkiintoista. Ovatkohan havainneet mitään vaihtelua sen mukaan mikä vuorokauden aika on tai sen mukaan missä Kuu on suhteessa Maapalloon ja Aurinkoon?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      En tiedä.

  9. ”koeryhmä on kerännyt dataa vuodesta 1995 asti, ja signaali on samanlainen vuodesta toiseen”

    Eli ilmeisesti esim. Jupiterin sijainti ei vaikuta signaaliin ollenkaan?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Ei ole mitään syytä, miksi vaikuttaisi. Tämä ei ole astrologiaa, vaan tiedettä.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *