Suunnistuksen lähtökynnys

30.6.2018 klo 11.35, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Pimeän aineen hiukkasta ei ole laajoista etsinnöistä huolimatta löytynyt. Koska pimeää ainetta (jos sitä on olemassa) kulkee koko ajan Maapallon läpi, suorin tapa sen havaitsemiseen on katsoa, törmääkö sen tavalliseen aineeseen. Tarvitsee vain ottaa koekappaleeksi kide, eristää se ja odottaa potkuja.

Mitä heikommin pimeän aineen hiukkanen vuorovaikuttaa, sitä harvemmin törmäyksiä tapahtuu. Koska pimeän aineen hiukkasten massatiheys (massa kertaa lukumäärä jaettuna tilavuudella) tiedetään niiden gravitaation havaitsemisesta, hiukkasia on sitä vähemmän mitä raskaampia ne ovat, mikä myös laskee törmäysten tahtia. Tätä ongelmaa voi ratkaista yksinkertaisesti rakentamalla isomman havaintolaitteen: mitä suurempi kohde, sitä enemmän törmäyksiä. Jahdissa onkin siirrytty kiloluokan detektoreista satojen kilojen kautta yli tonnin kohteisiin.

Toisaalta mitä kevyempi hiukkanen on, sitä pienemmän potkun se antaa atomeille. Herkemmän detektorin rakentaminen vaatii enemmän kekseliäisyyttä kuin kohteen kasvattaminen. Toissaviikolla Helsingin yliopiston materiaalifyysikko Kai Nordlund kertoi uudesta menetelmästä, jossa otetaan avuksi kohteen molekyylien tuntemus. Työssä on mukana Helsingin yliopistolta myös pimeän aineen hiukkasfysiikan tuntijat Kimmo Tuominen ja Matti Heikinheimo sekä pimeän aineen tähtitieteelliseen puoleen erikoistunut Peter Johansson, ja joukko materiaalifyysikkoja Teksasin A&M-yliopistolta.

Idea on seuraava. Kun pimeän aineen hiukkanen kulkee koekappaleen läpi, se voi tönäistä kiteen atomeita. Kvanttimekaniikan mukaan on pienin energia, millä atomeille tapahtuu jotain: jos pimeän aineen hiukkasen potku on tätä pienempi, se ei voi tehdä kohteelle yhtään mitään. Tämä lähtökynnys riippuu kiteen rakenteesta. Nordlundin ja kumppaneiden oivallus on käyttää hyväksi sitä, että kynnysenergia riippuu myös hiukkasen tulosuunnasta: on helpompi häiritä kidettä, kun potkii suuntaan, missä atomit tukevat toisiaan vähemmän.

Pimeän aineen hiukkaset liikkuvat sinne tänne siten, että ne ovat keskimäärin levossa Linnunradan suhteen. Koska Aurinkokunta kiertää Linnunrataa, Maapallolla istuvaa havaitsijaa vastaan tulee enemmän hiukkasia siitä suunnasta, mihin Maa kulkee ja vähemmän vastakkaisesta suunnasta. Samalla tapaa törmää useampaan sadepisaraan jos juoksee kohti kulmassa tulevaa sadetta ja harvempaan jos juoksee poispäin.

Kun Maa kiertää Aurinkoa vuoden aikana, kiteen suunta suhteessa tähän pimeän aineen tuuleen muuttuu. Kiistelty DAMA-koeryhmä käyttää tätä pimeän aineen signaalin etsimiseen kohinasta. Nordlundin ja kumpp. hyödyntävät lisäksi sitä, että suunta muuttuu vuorokauden aikana Maapallon pyöriessä akselinsa ympäri. Kun kide kääntyy suhteessa pimeän aineen tuuleen, kynnysenergia muuttuu, joten detektorissa havaittavien potkujen määrä nousee ja laskee yön ja päivän vaihtuessa.

Menetelmä toimii vain silloin, kun pimeän aineen hiukkasten potkujen energia on lähellä kynnysenergiaa. Jos potkut ovat paljon isompia, kide saa kyytiä oli se missä suunnassa tahansa. Jos ne ovat pienempiä, pimeä aine ei pysty häiritsemään kidettä edes heikoimpaan suuntaan töniessään.

Mutta kiteiden energiakynnys on sattumoisin saman kokoinen kuin potkut sellaisilta pimeän aineen hiukkasilta, joiden massa on nykyisten havaintolaitteiden herkkyyden alarajalla, eli protonin massan kymmenyksestä kymmeneen protonin massaan. Tähän alueeseen kurottaminen olisi merkittävä laajennus nykyisiin menetelmiin.

Tällä hetkellä ryhmä kehittää Teksasissa detektorin prototyyppiä. Tähtäimessä on lopulta tonnin painoinen kohde, samaa kokoluokkaa kuin isoimmat nykyiset havaintolaitteet. Projekti on mielenkiintoinen esimerkki siitä, miten pimeän aineen etsiminen tuo yhteen tähtitieteen, kosmologian ja hiukkasfysiikan lisäksi myös kiinteän olomuodon fysiikan

30 kommenttia “Suunnistuksen lähtökynnys”

  1. Sunnuntaikosmologi sanoo:

    Tuo koeasetelma, johon kuuluu maapallon liike suhteessa oletettuun pimeän aineen tuuleen tuo mieleen reilun sadan vuoden takaisen Michelson-Morley-kokeen, ja ennenkaikkea sen mitä myöhemmin oli tuleman. Osoittautui että eetteriä ei tarvittukkaan, Vaikka Einstein vissiin sanoi ettei M-M-koe ollut se ratkaiseva sysäys erikoiselle suhteellisuusteorialle, niin koe on silti kuuluisa.
    Herää kysymys että onko pimeä aine aikamme eetteri ? Löytyykö ratkaisu jonkun uuden Einsteinin myötä ihan toisenlaisen idean parista ?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Pimeä aine ja eetteri ovat hyvin erilaisia tieteellisiä hypoteeseja.

      Pimeä aine sopii hyvin yhteen muun tunnetun fysiikan kanssa, joka on selittänyt ja ennustanut oikein lukuisia havaintoja.

      Eetteri oli lähtökohtaisesti ongelmallinen, koska sen piti toisaalta kantaa sähkömagneettista säteilyä, joka vuorovaikuttaa aineen kanssa melkoisesti, mutta toisaalta olla sellainen, että sitä ei ole mitenkään muuten havaittu.

      Pimeän aineen ei tarvitse vuorovaikuttaa merkittävästi muuten kuin gravitaation kautta.

      Pimeän aineen hiukkasen voi havaita eri tavoin (riippuen siitä millainen se on), tämä suuntariippuvuuden hyväksikäyttäminen on vain yksi metodi. Samankaltaisuus Michelsonin ja Morleyn kokeen kanssa on pintapuolista.

      1. Sunnuntaikosmologi sanoo:

        Ymmärrän sen että hypoteesi pimeästä aineesta voi selittää joitakin syvän taivaan havaintoja, mutta mitä se on ennustanut ?

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Tähtien ja kaasun liikkeen galakseissa ja galaksiryppäissä, kosmisen mikroaaltotaustan epätasaisuuksien kuvion, galaksien jakauman taivaalla, tietyn osan maailmankaikkeuden laajenemisesta, gravitaatiolinssien kuviot ja galaksien muodostumisen yksityiskohdat.

          1. Sunnuntaikosmologi sanoo:

            Fysiikan teorialle paras mahdollinen vahvistus on kun se pystyy ennustamaan jotain havaintoa yksiselitteisesti niin ettei sellaista ole ennen nähty tai osattu arvata. Hyvä klassinen esimerkki on Neptunuksen löytäminen 1800-luvulla teorialaskujen opastamana.

            Alla on kopio siitä mitä Wikipedia sanoo gravitaatilinsseistä. En epäile että kyseessä on upeaa astrofysiikkaa ja painavaa todistetta pimeän aineen olemassaolosta. Silti en näe että siinä tarkkaan ottaen on kyse siitä että teoria pimeästä aineesta olisi ennustanut jonkin kokeellisen havainnon, se on ”vain” yksi esimerkki lisää että kosmoksessa on epäsuhta havaittavan massan ja gravitaatiovaikutuksen välillä.

            Sen sijaan, jos tuo HY & Texas AM-projekti onnistuisi täydellisesti niin silloinhan kyseessä olisi nimenomaan teorian ennustama kokeellinen havainto.

            Wikipedia: ”Pimeä aine näkyy myös galaksijoukkojen muodostamissa gravitaatiolinsseissä. Tutkimalla galaksijoukon painovoimakentän vääristämiä kuvia joukon takana sijaitsevista galakseista, saadaan määritettyä linssinä toimivan galaksijoukon massajakauma ja kokonaismassa. Vertaamalla tulosta galaksin tähtien ja kaasun emittoimasta valosta laskettavissa olevaan massaan ja erityisesti näkyvän aineen jakaumaan, osoittautuu, että galaksijoukkojen massasta suurin osa on pimeää ainetta. Gravitaatiolinssi-ilmiön erityinen vahvuus on, että sillä saadaan riippumaton käsitys pimeän aineen jakaumasta. Tällä menetelmällä onkin voitu osoittaa, ettei pimeän aineen jakauma seuraa suoraan näkyvän aineen jakaumaa.”

          2. Syksy Räsänen sanoo:

            Pimeä aine ei ennusta vain sitä, että on gravitaatiolinssihavaintoja, vaan myös sen, millaisia ne ovat.

            Gravitaatiolinssihavainnot antavat riippumatonta tukea pimeälle aineelle verrattuna vaikkapa tähtien ja kaasun liikkeisiin galakseissa, koska ne luotaavat aika-avaruuden kaarevuuden eri piirteitä. (Valo kulkee eri tavalla kuin hitaasti liikkuva aine.)

            Esimerkiksi teorioissa muokatusta gravitaatiolaista, jotka kilpailevat pimeän aineen kanssa, galaksien kiertoliikkeiden saaminen oikein ei takaa sitä, että valon taipuminen menee oikein.

  2. Cargo sanoo:

    Olisiko aiheellista tutkia aika-avaruuden rakennetta ja pohtia voisivatko havainnot nousta sieltä? Jos vaikka lähetetään luotaimia pitkin Aurinkokuntaa mittaamaan gravitaatiovakiota, niin pienetkin muutokset kielisivät siitä, että tyhjä avaruus voi sisältää kaarevuutta? Tällöin sileä aika-avaruus voisi olla pelkkä approksimaatio hilavirheitä sisältävästä diskreetistä rakenteesta.

    Nyt vain hakkaamaan sotarumpua ja julistamaan, miten Einstein oli väärässä ja miten typerää on uskoa jonkin pimeän ad hoc -hiukkasen olemassaoloon 😉

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Yleisen suhteellisuusteorian mukaan tyhjäkin aika-avaruus voi olla kaareutunut – siksi Maa kiertää Aurinkoa.

      Aika-avaruuden kaarevuutta Aurinkokunnassa on mitattu luotaimilla sadastuhannesosan tarkkuudella, ja havainnot ovat yhtäpitäviä yleisen suhteellisuusteorian kanssa.

      1. Cargo sanoo:

        Voisiko rakentaa ohuen metallikalvon, joka levitoi tyhjiössä siten, että liikuttava voima on selitettävissä vain pimeiden hiukkasten aiheuttamalla säteilypaineeella? Kun poikkipinta-ala on kohden Maan kulkusuuntaa, niin paine/voima on suurimmillaan.

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Ei, koska pimeän aineen vaikutus on niin pieni.

          1. Cargo sanoo:

            Onko ylipäätään syytä olettaa, että pimeä aine vuorovaikuttaa bosoneiden kautta näkyvän aineen kanssa? Voisi kai olla niinkin, että ainetta on montaa eri lajia ja ainoa yhdistävä tekiä on yhteinen aika-avaruus, johon kukin laji jättää jälkensä. Tai pimeä aine on tavallista ainetta, joka liikkuu eri dimensioissa ja vaikuttaa aika-avaruuden kokonaismetriikkaan. Onko nykyfyysikoilla pelkoa, että tiedot rajat tulevat vastaan?

          2. Syksy Räsänen sanoo:

            On tosiaan mahdollista, että pimeä aine vuorovaikuttaa vain gravitaation (tai yhtä heikon vuorovaikutuksen) kautta. Useita tällaisia vaihtoehtoja on tutkittu.

      2. Eusa sanoo:

        Onko tyhjää avaruusaikaa olemassa? Miten määrittelet tyhjyyden?

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          On. Käsite ei olekaan yksinkertainen (aiheesta täällä: https://www.tiede.fi/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/naennainen_todellisuus ), mutta tässä yhteydessä asia on selvä.

          1. Syksy Räsänen sanoo:

            Tämä riittäköön tästä.

  3. Syksy Räsänen sanoo:

    Muistutus, että tämä kommenttiosio ei ole sopiva paikka omien fysiikan teorioiden esittelemiseen.

    Sellaisia kommentteja toistuvasti lähettävät käyttäjät saavat jatkossa pysyvän kiellon.

    (Tämä ei liity kommentteihin, joita on täällä julkaistu, vaan moderointiin jääneisiin kommentteihin.)

  4. Sunnuntaikosmologi sanoo:

    Osaatko sanoa jotain summittaista kuinka suuri osa hiukkasfysiikan rahoituksesta menee nykyään sellaisiin projekteihin joissa ensisijainen tai ainoa päämäärä on pimeän aineen hiukkasten detektointi ?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Pimeää ainetta voi etsiä kiihdyttimillä, astrofysikaalisilla havainnoilla ja suoran havainnon laboratoriokokeilla. Näistä viimeksi mainitut ovat ainoita, joiden ensisijainen tai ainoa päämäärä on pimeän aineen löytäminen. Ne ovat myös halvempia kuin kiihdytinkokeet, teleskoopit tai satelliitit. Prosenttilukua en osaa antaa.

  5. Kari Leppälä sanoo:

    Siis jos ymmärsin oikein, tuo vuorovaikutus jolla pimeitä hiukkasia pyritään havaitsemaaan on liike-energiaa, eli hiukkanen muuttaa detektorin molekyylin värähtely / liiketilaa ?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kyllä, pimeän aineen hiukkanen törmää kohteessa olevan atomin ytimeen ja antaa sille liike-energiaa. Tämän takia atomi liikkuu ja siitä voi irrota elektroni.

  6. Sunnuntaikosmologi sanoo:

    Wikipedian artikkelissa pimeästä aineesta, aivan alussa, on tämä lause:

    ”Sen [pimeä aine] vaikutus tavalliseen aineeseen on kuitenkin havaittavissa gravitaation ja heikon vuorovaikutuksen kautta.”

    Mihin perustuu tuo väitteen jälkimmäinen osa, että on havaittavissa heikon vuorovaikutuksen kautta ?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      En mielelläni rupea kommentoimaan Wikipedian artikkeleita. Jotkut pimeän aineen hiukkaset vuorovaikuttavat heikon vuorovaikutuksen kautta, toiset eivät.

  7. Erkki Tietäväinen sanoo:

    Onko pimeän aineen avulla todellakin ennustettu tähtien ja kaasun liike galakseissa ja galaksiryppäissä, kosmisen mikroaaltotaustan epätasaisuuksien kuvio, galaksien jakauma taivaalla, tietty osa maailmankaikkeuden laajenemisesta, gravitaatiolinssien kuviot ja galaksien muodostumisen yksityiskohdat? Vai tarkoitatko ennustamisella selittämistä?

    Olen ymmärtänyt asian niin, että kun tietyt laskutoimitukset eivät ole ”menneet tasan”, avuksi on tarvittu lisää ainetta ja kun sitä ei ole löydetty, selitykseksi on ”ennustettu” pimeän aineen olemassaolo.

    Minä en käyttäisi pimeää ainetta ennustamiseen niin kauan kuin siitä ei tiedetä juuri mitään.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      On. Pimeä aine on otettu käyttöön galakseissa ja galaksiryppäissä tapahtuvien liikkeiden selittämiseksi, ja sen jälkeen se on onnistuneesti selittänyt lisää näitä liikkeitä, mukaan lukien erilaisissa olosuhteissa, sekä muut mainitsemani tekijät.

      Näiden havaintojen kannalta pimeän aineen hiukkasne yksityiskohdat eivät ole tärkeitä, ainoastaan se, että se on kylmään (eli ei liiku nopeasti ympäriinsä).

  8. Lentotaidoton sanoo:

    Onko Nordlung & kumpp ryhmällä mitään ennakko-oletusta siitä mitä jahtaavat? Eli mikä siellä mahdollisesti ”potkii”? Onko olettamuksena WIMPit? Luulisi kokeen priorisoituvan jonkin tyypin etsiskelylle.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Tällaiset tönäisykokeet luotaavat kaikkia hiukkasia, joiden vuorovaikutus atomiydinten kanssa ja massa sattuvat tiettyyn haarukkaan.

      Alun perin WIMP viittasi hiukkasiin, joiden vuorovaikutus ja massa on heikon vuorovaikutuksen suuruusluokkaa, mutta sellaiset olisi jo nähty. Tässä mielessä tiedämme, että pimeä aine ei koostu WIMPeistä. Nyttemmin W niin Weak on tosin uudelleentulkittu siten, että se ei viittaa heikkoihin vuorovaikutuksiin erisnimenä (eli Standardimallin W- ja Z-bosonien välittämään vuorovaikutukseen), vaan on yleisnimi vuorovaikutuksille, jotka ovat hyvin heikkoja.

      https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/nynnyjen-hautajaiset/

      1. Lentotaidoton sanoo:

        OK kiitos. Siis nämä FIMPit (Feebly Interacting Massive Particle). Ja tämän myötä myös aksionit ja steriilit neutriinot entistä jahdatuimmiksi (LHChän jahtaa myös näitä aksioneja, https://www.wired.co.uk/article/large-hadron-collider-dark-matter).

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          FIMPit vuorovaikuttavat niin heikosti, että tuo koe ei pysty näkemään niitä.

          1. Lentotaidoton sanoo:

            Räsänen: ”Tällaiset tönäisykokeet luotaavat kaikkia hiukkasia, joiden vuorovaikutus atomiydinten kanssa ja massa sattuvat tiettyyn haarukkaan”.

            Vai niin. No JOS EI FIMPitkään, niin mikä sitten on tämä TIETTY ”haarukka”? Vai onko kyse vain TÄMÄN kokeen ”haarukasta”? Onko se kiinni näistä kiteistä/tulokulmista (protonin massan kymmenyksestä kymmeneen protonin massaan = tuo Texasin uusi detektori)? Sori että jankkaan.

          2. Syksy Räsänen sanoo:

            Haarukka määräytyy laitteen herkkyyden mukaan.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *