Nynnyjen hautajaiset

31.8.2017 klo 19.32, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Pimeä aine on erittäin onnistunut idea. 1930-luvulla esitetty ajatus siitä, että huomattavaa osaa maailmankaikkeuden aineesta ei pystytä silmin taikka teleskoopein suoraan havaitsemaan on hioutunut vuosikymmenten ajan tarkemmaksi. Nykyään tiedetään, että havaintojen selittämiseksi pimeän aineen pitää koostua toistaiseksi tuntemattomista hiukkasista, sitä pitää olla noin neljä-viisi kertaa niin paljon kuin tavallista ainetta ja sen liikkeiden pitää olla hyvin verkkaisia (eli pimeän aineen pitää olla kylmää).

Tämä yksinkertainen selitys näkymättömästä aineesta on tehnyt useita oikeaan osuneita ennustuksia. Merkittävimpien joukossa on kosmisen mikroaaltotaustan epätasaisuuksien yksityiskohdat, galaksien rakenne, jakauma ja liikkeet sekä gravitaatiolinssikuvioiden koot ja muodot. Valtaosa kosmologeista pitää pimeän aineen olemassaoloa jokseenkin varmana, mutta koska pimeästä aineesta on toistaiseksi todisteita vain sen gravitaation kautta, niin mielessä voi silti kyteä epäilys: entä jos onkin kyse siitä, että yleinen suhteellisuusteoria ei päde? Yrityksistä huolimatta kukaan ei tosin ole osannut esittää sellaista vaihtoehtoista gravitaatiolakia, joka sopisi havaintoihin, mutta tämä ei todista sitä, etteikö sellaista ole.

Jos pimeän aineen hiukkaset havaittaisiin suoraan, niin järkevälle epäilylle ei olisi enää sijaa. On satoja ehdotuksia siitä, millaisia pimeän aineen hiukkaset ovat, ja niiden havaitsemiseen tarvitaan aivan erilaisia kokeita. Varmaankin suosituin ehdotus on se, että pimeän aineen hiukkaset ovat raskaita ja vuorovaikuttavat Wbosonin ja Z-bosonin välittämän heikon vuorovaikutuksen kautta. Tällaisia hiukkasia kutsutaan nimellä Weakly Interacting Massive Particle eli WIMP, suomeksi siis nynny. (Aku Ankan kääntäjä epäilyttä keksisi oivan suomenkielisen sanarimpsun, josta tuon voisi lyhentää.) Nimi oli humoristinen vastapari 1970-80-luvun toiselle suositulle pimeän aineen ehdokkaalle nimeltä MAssive Compact Halo Object eli MACHO. MACHOt ovat tavallisesta aineesta koostuvia planeettojen tai tähtien kaltaisia isoja kappaleita, jotka ovat niin himmeitä, että niitä olisi vaikea huomata. Kamppailu päätyi nynnyjen voittoon: nykyään tiedetään, että pimeä aine ei ole machoja.

WIMP-selitys sopi hyvin 70- ja 80-lukujen hiukkasfysiikan maisemaan. Hiukkasfysiikan Standardimalli oli saatu monelta osin varmennettua, ja heikko vuorovaikutus on sen oleellinen osa. Odotettiin, että heikkoon vuorovaikutukseen liittyvän energiaskaalan tienoilta, tai vähän korkeammalta, löytyisi uudenlaista fysiikkaa. Heikkoon vuorovaikutukseen pohjaavat laskut siitä, paljonko WIMP-hiukkasia nykymaailmankaikkeudessa olisi täsmäsivät hyvin siihen, mitä havaintojen selittämiseen tarvitaan. Tätä yllättävää menestystä pidettiin niin vakuuttavana, että sille annettiin nimi WIMP miracle, nynnyjen ihme.

WIMPeistä on nähty vuosien varrella erilaisia vihjeitä (joidenkin niistä pohjalta on lähetetty erittäin harhaanjohtavia lehdistötiedotteita), mutta ne ovat osoittautuneet vesiperäksi. Erikoinen poikkeus on DAMA/LIBRA-niminen koeryhmä, joka on vuosia sitten väittänyt löytäneensä pimeän aineen, mutta muut tutkijat eivät ole pystyneet toistamaan sen tuloksia. Kaikkiaan WIMPpien hohto on kuitenkin hiipunut vuosien varrella.

WIMP-selityksen mukaan olisi odottanut, että kiihdyttimien törmäyksissä syntyy pimeän aineen hiukkasia, jotka voidaan havaita. CERNin LHC-kiihdytin, sen enempää kuin edeltäjänsä, ei kuitenkaan ole löytänyt merkkejä mistään Standardimallin tuonpuoleisesta.

WIMPpejä on etsitty myös suoremmin. Jos pimeää ainetta on olemassa, niin sitä kulkee koko ajan Maapallon ja kaiken siinä olevan läpi. Siispä tarvitsee vain laittaa koepala tavallista ainetta tarkkaan valvontaan ja odottaa, koska joku sen läpi viipottavista pimeän aineen hiukkasista törmää sen atomiytimiin. Tällaisia kokeita on tehty useita, tällä hetkellä herkin on kiinalainen PandaX-II, joka julkisti uusimmat tuloksensa viime viikolla. Ne ovat samanlaisia kuin kaikki aiemmatkin: mitään ei ole havaittu. Raja sille, miten heikosti WIMPpien pitää vuorovaikuttaa aineen kanssa, että niitä ei olisi jäänyt haaviin tiukentuu kerta kerralta.

Mielestäni on kyseenalaista, voiko enää ollenkaan puhua heikosti vuorovaikuttavista hiukkasista, ainakaan jos sanan heikko on tarkoitus viitata Standardimallin heikkoon vuorovaikutukseen (mihin nynnyjen ihme perustuu). PANDAX-II:sen ja muiden kokeiden mukaan pimeän aineen vuorovaikutuksen protonien ja neutronien kanssa pitää olla miljoona kertaa pienempi kuin mitä heikko vuorovaikutus ennustaa. On kehitetty erilaisia malleja, joissa vuorovaikutus on heikkoakin heikompi, ja tulevat kokeet ovat yhä herkempiä, mutta tulokset ovat myös saaneet tutkijat kääntymään yhä enemmän aivan muidenlaisten pimeän aineen ehdokkaiden pariin. Jos ihmeellinen aarrekartta vihjaa arkun olevan metrin syvyydessä, mutta tuhannen kilometrin syvyyteen kaivettua ei löydy mitään, voi olla syytä epäillä oliko kartantekijä oikeilla jäljillä.

Yksi mahdollisuus on Feebly Interacting Massive Particle eli FIMP, suomeksi siis heiveröisesti vuorovaikuttava raskas hiukkanen. Kyseisessä ideassa tehdään pimeän aineen vuorovaikutuksista niin heiveröisiä, että niiden käyttäytymisestä tulee laadullisesti aivan erilaista kuin WIMPpien. (Lisää aiheesta voi lukea Tommi Tenkasen tutkimusta käsittelevästä artikkelista Tähdet ja Avaruus –lehden numerosta 3/2017.) Myös aksionit ja steriilit neutriinot saavat entistä enemmän huomiota; vaihtoehtoja WIMPeille ei puutu. WIMPpien hautaaminen ei kertoisi juuri mitään pimeän aineen olemassaolosta, se vain tarkentaisi käsitystämme siitä, mitä pimeä aine ei ainakaan ole.

34 kommenttia “Nynnyjen hautajaiset”

  1. Eusa sanoo:

    Onko baryonisen aineen jakauman ja pimeän massan jakauman todetulla korrelaatiolla (ainakin kierteisgalakseissa ja kääpiögalakseissa) mielestäsi merkitystä pimeän aineen mysteerille?

    https://arxiv.org/pdf/1707.01059.pdf

    Arvailu ja spekulaatiot saavat huvittaviakin muotoja.

    Onko tulkintani havainnoista oikea: etäällä galaksikeskustoissa pimeän kylmän aineen malli toimii hyvin, galaksien keskustoja kohden ”kuumenee”?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Tällä hetkellä ei ole mitään selvää ristiriittaa WIMPpien (tai muun kylmän pimeän aineen) ennusteiden ja havaintojen välillä.

  2. Tommi Tenkanen sanoo:

    MIkäli primordiaaliset mustat aukot luetaan kuuluvaksi machojen joukkoon, ei machoja voi suoraan tuomita häviäjiksi. Suurin piirtein auringonmassaisten mustien aukkojen määrälle johdettu yläraja riippuu vahvasti tavasta, jolla mustat aukot keräävät materiaa ympärilleen, eikä tätä vielä ymmärretä täysin. Periaatteessa primordiaaliset mustat aukot voivat edelleen selittää kaiken havaitun pimeän aineen määrän, mutta ikkuna on sulkeutumassa. Kokonaan toinen asia tosin on, pitävätkö niiden muodostumiseen ja yhteensulautumiseen (tai pikemminkin yhteensulautumattomuuteen) liittyvät laskut paikkansa. Tähän liittyy vielä suurehkoja epävarmuuksia.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Aiheellinen tarkennus. Käytin termiä MACHO viittaamaan vain tavallisesta aineesta koostuviin kappaleisiin. Isot mustat aukot ovat vielä mahdollinen pimeän aineen ehdokas. (Ja hyvin pienet mustat aukot varmaankin vielä pitkään, ehkä kunnes jokin muu vaihtoehto varmistuu oikeaksi.)

  3. Pertti Rautiainen sanoo:

    Jokseenkin puhtaasti spekulatiivisessa mielessä maailmankaikkeudessa dominoivaa näkymätöntä ainetta esitti Mary Agnes Clerke jo 1903. Mutta Zwickyllehän se kunnia taitaa varsinaisesti kuulua.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Tuosta en ole kuullutkaan. Kertoisitko tarkemmin?

      1. Pertti Rautiainen sanoo:

        Pidän Oulun yliopistossa Tähtitieteen historian kurssia. Yksi käyttämistäni lähteistä on Helge Kraghin kosmologian historiaa käsittelevä Conceptions of Cosmos (todella mainio kirja!). Siinä tuli vastaan maininta tuosta Clerken esittämästä ajatuksesta (Clerke 1903, Problems of Astrophysics, joka taitaa nimestään huolimatta olla suurelle yleisölle suunnattu).

        Seuraavassa Kraghin kirjassa oleva sitaatti (s. 213): ”Unseen bodies may, for aught we can tell, predominate in mass over the sum-total of those that shine; they possibly supply the chief part of the motive power of the universe.”

        Ilmeisesti Clerken pohdiskelu liittyivät osittain Michellin ja Laplacen ehdottamiin pimeisiin tähtiin (eli nykykielellä mustiin aukkoihin), osin spekulaatioihin tähtien kylmistä lopputiloista. Tuolla Clerken kirjalla on jo sen verran ikää, että se saattaa löytyä archive.org:ista.

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Kiitos!

  4. Sunnuntaikosmologi sanoo:

    Olenko ymmärtänyt oikein että pimeän aineen käsitettä tarvitaan ainoastaan sellaisten havaintojen selittämiseen joiden skaala on vähintään galaktinen ?
    Hiukkasfysiikassa siis yksi suurimpia nykyisiä tutkimussuuntia on pimeän aineen etsiminen, vaikka idea siitä tulee sataprosenttisesti hiukkasfysiikan ulkopuolelta ?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Lyhin mittakaava, jonka suoria havaintoja pimeä aine selittää on noin kymmenentuhatta valovuotta (kääpiögalakseissa ja kosmisessa mikroaaltotaustassa).

      Pimeä aine on (inflaation ja aineen ja antiainene epäsymmetrian ohella) tosiaan hyvä esimerkki hiukkasfysiikan teorian ja kosmologisten sekä astrofysikaalisten havaintojen yhteydestä.

  5. miguel sanoo:

    Jos gravitoni-hiukkasen löytymistä ei pidetä tarpeellisena, vaan ”mallina”, niin miksi pimeän aineen hiukkasia etsitään selitykseksi jollekin?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Vastaus gravitonin ja alkeishiukkasten eroon löytyy edellisestä merkinnästä:

      https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/painon-valittajasta/

  6. Erkki Kolehmainen sanoo:

    Tästä Syksy Räsäsen jutusta tulee mieleen vanha vitsi. Koulussa oli tarkastaja käymässä ja opettaja kysyi luokaltaan: mitä stadionin tornista ei näy? Tarkastajan ihmetykseksi kaikki oppilaat viittasivat innokkaasti ja eräs sitten sai vastata opettajan luvalla. Stadionin tornista ei näy vain Helsinki vaan suuri osa sen ympäristöä.
    Oikein, opettaja kuittasi ja katsoi ylpeänä tarkastajaa.

  7. NYNNY, Normaalisti Yllätyksetön Näkymätön Neutraali Ydinhiukkanen.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Hyvä muuten, mutta ydinten kanssa WIMPeillä ei ole mitään tekemistä!

  8. Eusa sanoo:

    Nättimassainen Yleishiukkaistus Näennäisestä Normigravitaation Ylittäjästä = N.Y.N.N.Y. 🙂

    Nythän on vakavasti esitetty ihan sähkömagnetismia vastaavaa pimeän aineen rakennetta, joka vuorovaikuttaisi vain keskenään fraktaalirakenteita muodostaen aivan kuin tuntemamme ainekin. Pimeä sähkömagnetismi olisi vain meiltä piilossa muuten paitsi gravitaatiovaikutustensa kautta. Mitä mieltä Syksy olet noista spekulaatioista ja niiden perusteista?

    https://phys.org/news/2016-11-dark-hidden-sector.html

    https://arxiv.org/pdf/1609.03592.pdf

    http://nautil.us/issue/48/chaos/does-dark-matter-harbor-life

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kuvauksesi ei aivan vastaa linkattuja artikkeleita.

      Ajatus siitä, että pimeä aine olisi osa hiukkasfysiikan sektoria, joka on samanlainen kuin näkemämme, mutta vain meiltä piilossa, ei ole uusi. Se ei voi pitää paikkaansa, koska havaittu pimeän aineen klimppiytyminen on erilaista kuin näkyvän aineen. Näkyvä aine menee pimeää ainetta enemmän kasaan, koska se voi jäähtyä sähkömagneettisten vuorovaikutusten takia.

      On tietysti periaatteessa mahdollista, että pieni osa pimeästä aineesta vuorovaikuttaisi samalla tavalla keskenään kuin tavallinen aine ja muodostaisi samanlaisia monimutkaisia kokonaisuuksia.

  9. Lentotaidoton sanoo:

    Eli ”todisteet” pimeästä aineesta ovat toistaiseksi tähtitieteen ”aihetodisteita” gravitaation kautta. Tosin erittäin hyvin perusteltuja kuten tekstissä sanottiin.
    Nynnyt ja Machot on haudattu ja jahtaamme vain esim yhä massaltaan pienempiä ja pienempiä hiukkasia (aksionit). Oletuksenahan on että ne tuntisivat heikkovoiman ja gravitaation.

    Entä jos ne ”tuntisivat” ainoastaan gravitaation. Ja gravitaatiohan ei ole edes mikään ”voima”. Eli pimeän aineen hiukkaset eivät yksinkertaisesti vuorovaikuttaisi mitenkään (tai ainakaan tuntemiemme vuorovaikutusten kautta). Ajatuksellisesti tämä ei kuitenkaan sopisi siihen, että esim inflaation jälkeisessä inflatonikentän energian hajoamisessa partikkeleiksi myös näiden hiukkasten olisi mitä ilmeisimmin pitänyt myös syntyä. Eli jos asia on vain niin, että nykyiset energiamme (LHC) eivät yksinkertaisesti riitä alkuunkaan vaan tarvitsisimme Planckin energiaa lähenteleviä energioita.

    Jos pimeän aineen hiukkasia on yhtä paljon kuin niiden antihiukkasia ja ne annihiloisivat toisiaan (esim elektroni-positrinipariksi) niin toki niiden tulisi tuntea jonkin vuorovaikutuksen. Nämä annihilaatiot lienevät toistaiseksi epävarmoja?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Myös WIMPpejä raskaammat hiukkaset kelpaavat. Pimeän aineen massatiheys tiedetään, joten mitä suurempi massa hiukkasilla on, sitä vähemmän niitä on ja sitä vaikeampaa niitä on siksi havaita.

      Nykyisen hiukkasfysiikan käsityksemme valossa ei liene mahdollista, että hiukkanen vuorovaikuttaisi vain gravitaation kautta. Sen sijaan on mahdollista, että sen kaikki vuorovaikutuksetn ovat yhtä heikkoja kuin gravitaatio. Esimerkki tällaisesta ehdokkaasta on supersymmetrisen gravitaatioteorian gravitiino.

      WIMPien tapauksessa tyypillisesti hiukkasia ja antihiukkasia on yhtä paljon. On kuitenkin myös pimeän aineen malleja, missä jäljellä on vain hiukkasia, ei antihiukkasia.

      1. Jos olisi planckinmassainen varaukseton musta aukko, se kaiketi vuorovaikuttaisi vain gravitaatiolla (no hair -teoreema). Lisäksi se voisi varmaankin pyöriä. Jos se pyörisi puolilukuisella impulssimomentilla eli olisi fermioninen, silloin se ehkä ei ehkä voisi höyrystyä Hawkingin säteilynä koska emittoituva fotonisäteily kantaisi mukanaan kokonaislukumäärän impulssimomenttia. Kaksi aukkoa voisi annihiloida toisensa, mutta prosessin vaikutusala taitaisi olla vain Planckin alan luokkaa.

        Onkohan tällainen ajattelu validia, Syksy?

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Ei tiedetä, miten hyvin pienimassaiset mustat aukot käyttäytyvät. Tapa, jolla Hawkingin säteilyä tarkastellaan ei päde aukkojen ollessa pieniä. Ei ehkä tästä sen enempää.

  10. Lentotaidoton sanoo:

    Eli kun pimeän aineen etsinnässä mitä ilmeisimmin päädymme erilaisiin supersymmetrian teorioihin, niin kevennyksenä seuraava:

    http://www.para-web.org/showthread.php?tid=4541

    Itse olen oppinut Eestin kielen, mutta muille tämä suora eestinnös Räsäsen blogista voi olla naljakas (=hauska, mutta myös huvitav = mielenkiintoinen).

  11. Lentotaidoton sanoo:

    Tämä ei nyt kuulu tähän osioon. Mutta kävin kirjastossa. Tieteissä tapahtuu -lehdessä oli pieni kommentti Räsäsen taannoisesta ”akateeminen” (merkityksetön) -lausahduksesta. Prof. Roos oli sitä mieltä, että termi ”akateeminen” tarkoittaisi nykyään ei (vielä/ enää) hyödyllistä. Ja viittasi korkeakouluopintojen hyötyjahtaamiseen. Kuinka on?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      En ollutkaan huomannut, tämä kommentti siis:

      https://journal.fi/tt/article/view/65841/26638

      Termien ”merkitys” ja ”käytännön merkitys” ero on tässä hienovarainen, kuten myös se, mitä tarkoitetaan ilmaisulla ”yleinen kielenkäyttö”.

  12. 7v sanoo:

    Miksei pimeä aine itsessään voi olla
    viides perusvoima?
    Pitääkö fotonit mitään ääntä liikkuessaan?
    Kuinka kuumaa fotonit kestävät hajoamatta vai reagoivatko ne lämpöön mitenkään?

    Sorry jos menee huumorin puolelle

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kysymykset menevät sen verta kauas merkinnän aiheesta (ja vaatisivat pidempää selittämistä), että jääköön vastaamatta.

  13. 7v sanoo:

    Osaatko vielä kertoa onko olemassa suunnitteilla tai jopa rakenteilla mitään laitteistoa millä pimeää ainetta
    voisi havaita suoraan?

    Eikös se nyt ole vielä toistaiseksi teoreetikoiden epäsuorasti havaittavissa oleva asia, voisiko se olla hukkassa
    siksi että sen havaitseminen on vielä
    mahdotonta, vähä samantapaan niinkuin kun
    gravitaatioaaltoja ei löytynyt
    ennen mittauslaitteistojen optimointia/herkentymistä?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kommentoimasi blogimerkinnän teksti vastaa kysymykseesi.

  14. 7v sanoo:

    https://www.tiede.fi/artikkeli/uutiset/ensivilkaisu_hiukkasesta_joka_on_itsensa_antihiukkanen

    onko mitään tekemistä pimeän aineen kanssa?
    onko suomessa paljon tutkittu näitä
    itsensä antihiukkasia?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Tämä uutinen ei liity hiukkasfysiikkaan (eikä siis myöskään pimeään aineeseen). Kyseessä ei ole uusi alkeishiukkanen, vaan tunnetuista hiukkasista (protoneista, neutroneista ja elektroneista) koostuvan aineen ominaisuuksien kuvaaminen tavalla, joka muistuttaa tietynlaista alkeishiukkasta.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *