Paria etsimässä
Viikko sitten Lotta Jokiniemi Darmstadtin teknisestä yliopistosta Saksasta puhui Fysiikan tutkimuslaitoksen seminaarissa neutriinoista ja ydinreaktioista.
Kaikista tunnetuista hiukkasista ymmärrämme neutriinoita vähiten. Emme tiedä niiden massaa, emmekä sitä ovatko ne omia antihiukkasiaan (kuten fotonit ja Z-bosoni) vai onko olemassa erilliset neutriinot ja antineutriinot (kuten kaikilla muilla hiukkasilla). Tämä johtuu siitä, että neutriinoita on vaikea mitata, kahdesta syystä.
Ensinnäkin neutriinoilla ei ole sähkövarausta eikä värivarausta, ne tuntevat gravitaation lisäksi vain heikon vuorovaikutuksen, joten neutriinot yleensä kulkevat tavallisen aineen läpi vuorovaikuttamatta.
Toisekseen neutriinojen massa on hyvin pieni, joten ne kuljettavat vain vähän energiaa (jos niiden nopeus on iso). Raskaimpien neutriinojen massa on alle miljoonasosa seuraavaksi kevyimmän hiukkasen, elektronin, massasta.
Nykyään mittalaitteet ovat niin tarkkoja, että elektronin neutriinojen havaitsemisesta on tullut rutiinia. Pian ne ovat taustakohinaa kokeissa, missä etsitään pimeää ainetta, joka vuorovaikuttaa vielä neutriinoja heikommin.
Tunnettuja neutriinoita on kolmenlaisia: yksi niistä on elektronin pari, toiset kaksi myonin ja taun, jotka ovat samantyyppisiä hiukkasia kuin elektroni, mutta raskaampia. Kukin neutriino vuorovaikuttaa lähinnä oman parinsa kanssa. Elektronin neutriino löydettiin vuonna 1956, myonin neutriino 1962. Tau-neutriino löydettiin vasta 2000, ja niitä on havaittu vain parikymmentä.
Neutriinoilla on kuitenkin iso merkitys fysiikassa.
Neutriinoita on valtavasti maailmankaikkeudessa (nykyään 341 per kuutiosenttimetri), minkä takia niillä on suuri vaikutus varhaisen maailmankaikkeuden laajenemisnopeuteen ja jonkinmoinen vaikutus rakenteiden muodostumiseen, ja tämän jäljet näkyvät kosmisessa mikroaaltotaustassa ja galaksien jakaumassa.
Monet ydinreaktiot olisivat mahdottomia ilman neutriinoita. Yksinkertaisimmassa tapauksessa ytimessä oleva neutroni hajoaa protoniksi, elektroniksi ja elektronin antineutriinoksi (joka saattaa siis olla sama kuin neutriino itse). Tämä on monen radioaktiivisen hajoamisen takana.
Hajoamisessa vapautuu ydinsidoksista energiaa, jonka elektroni ja neutriino kuljettavat pois. Energia voi jakautua eri tavalla neutriinon ja elektronin kesken, joten elektronin energia vaihtelee hajoamisesta toiseen. Tämä olikin syy sille, että neutriino vuonna 1930 teoretisoitiin: jos sitä ei olisi, kaikki energia menisi elektronille, ja sen energia olisi aina sama, mikä on vastoin havaintoja.
Joissakin ytimissä yksi neutroni ei voi hajota protoniksi, mutta kaksi voi, jos ne tekevät sen yhtä aikaa. Tällöin ytimestä lentää ulos kaksi elektronia ja kaksi neutriinoa. Hajoamisessa vapautuu energiaa, josta osan saavat elektronit ja osan neutriinot. Tämäkin on havaittu.
Jos neutriinot ovat itsensä antihiukkasia, tässä reaktiossa kaksi neutriinoa voivat kumota toisensa, niin että jäljelle jää vain kaksi elektronia, jolloin niiden energioiden summa on aina sama. Jokiniemi on tutkinut tätä hajoamista. Sen havaitseminen olisi läpimurto: se osoittaisi, että neutriinot ovat itsensä antihiukkasia ja kertoisi neutriinon massan. (Niille, jotka haluavat googlailla aiheesta lisää, mainitsen että hajoamisen tekninen nimi on neutriinoton kaksoisbetahajoaminen.)
Kahden neutronin samanaikainen hajoaminen on erittäin harvinaista. Yhdelle ytimen neutronille se tapahtuu kerran 1020 vuodessa, eli tarvitaan kymmenen miljardia neutronia, että näkee sen kerran vuodessa. (Onneksi ytimistä ei ole pulaa.) Tämä on itse asiassa harvinaisin koskaan mitattu reaktio.
On vielä harvinaisempaa, että neutriinot sattuvat kumoamaan toisensa. Tämä tapahtuu harvemmin kuin kerran 1026 vuodessa, eli ainakin miljoona kertaa vähemmän kuin tavallinen kahden neutronin hajoaminen. Harvinaisuus riippuu neutriinojen massasta ja ydinfysiikan yksityiskohdista. Mitä pienempi massa, sitä harvinaisempi hajoaminen on, ja mitä vahvemmat ydinreaktiot, sitä useammin se tapahtuu.
Ainakin 15 koeryhmää etsii tässä hajoamisessa syntyvää elektroniparia, ja ensiksi maaliviivan ylittänyt luultavasti saa kolmannen neutriinoista myönnetyn Nobelin palkinnon.
Isoin epävarmuustekijä on ydinten ymmärtäminen. Ytimet koostuva protoneista ja neutroneista, jotka eivät ole alkeishiukkasia, vaan koostuvat kvarkeista, samoin kuin niitä yhteen sitovaa ydinvoimaa välittävät hiukkaset. Ytimet ovat niin monimutkaisia, että ydinfysiikan yksityiskohtia ei kuitenkaan osata laskea kvarkeista lähtien. Sen takia ydinfysiikkaa tutkitaan monilla eri tavoilla.
Jokiniemi on alan asiantuntija, ja on yhteistyökumppaneineen tutkinut ytimiä järjestelmällisillä menetelmillä, joissa ymmärretään mitä yksinkertaistuksia on tehty ja joita on mahdollista parantaa askel askeleelta. Vähemmän luotettavat menetelmät olivat hieman yliarvioineet kahden neutronin neutriinottomaan hajoamiseen liittyvien ydinreaktioiden voimakkuuden. Seuraavan sukupolven kokeet ovat sata kertaa nykyisiä herkempiä, ja Jokiniemen mukaan ne pystyvät silti havaitsevat tämän hajoamisen, jos elektronin neutriino ei ole neutriinoista kevyin. Jos elektronin neutriino on kevyin, havainnosta ei ole mitään taetta, koska silloin sen massalle ei ole mitään alarajaa: se voi olla vaikka massaton.
Neutriinojen massojen erot on mitattu neutriinojen muuttumisesta toisikseen. Ilmiö havaittiin ensin Auringosta: sieltä mitattiin vain kolmasosa odotetusta elektronin neutriinojen määrästä, kaksi kolmesta kun oli muuttunut myonin ja taun neutriinoiksi, joita ei havaittu. Aiheesta on myönnetty Nobelin palkinto vuosina 2002 ja 2015. Neutriinojen massoille on yläraja niiden vaikutuksesta kosmiseen mikroaaltotaustaan ja galaksien jakaumaan. Tämä yläraja alkaa olla lähellä kahden neutronin hajoamisesta mitattua alarajaa.
On mahdollista, että kosmologit ehtivät mittaamaan neutriinojen massan ennen hiukkasfyysikoita. Lokakuussa julkistetaan Euroopan avaruusjärjestö ESA:n Euclid–satelliitin ensimmäiset kosmologiset havainnot, jotka saattavat valaista asiaa, vaikka luultavasti pitää odottaa sen myöhempiä ja kattavampia tuloksia.
Mutta havainto ei kertoisi mitään siitä, onko neutriino oma antihiukkasensa. Suuri osa hiukkasfyysikoista pitänee tätä todennäköisenä, ja esimerkiksi oma pimeän aineen suosikkihiukkaseni, kevyt oikeakätinen neutriino, perustuu tähän mahdollisuuteen. Silti asian varmistaminen raottaisi ovea Standardimallin tuonpuoleiseen fysiikkaan hieman entisestään.
Neutriinojen tutkimus yhdistää fysiikan eri alueita: Auringon fysiikkaa, kosmologiaa, hiukkasfysiikkaa ja ydinfysiikkaa. Viimeksi mainittua pidetään joskus hieman vanhanaikaisena, eivätkä teoreettiset fyysikot tuppaa enää olemaan kovin kiinnostuneita ytimistä itsestään: periaatteet tunnetaan ja yksityiskohdat ovat sotkuisia. Mutta ydinfysiikan tunteminen on yhä tärkeää niin neutriinojen, neutronitähtien kuin kevyiden alkuaineiden synnyn saralla.