Vasemmalta oikealle

21.3.2020 klo 17.46, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Kosmologiassa on neljä isoa avointa ongelmaa: mitä on pimeä aine, miksi ainetta on enemmän kuin antiainetta, miten kosminen inflaatio on tapahtunut, ja mistä viime aikojen kiihtyvä laajeneminen johtuu.

Ratkaisuehdotuksia on satoja. Erityisen viehättäviä ovat sellaiset, joissa tehdään vain vähän oletuksia ja jotka selittävät useita asioita. Yksi tällainen on nuMSM, neutriinojen Minimaalinen Standardimalli. Siinä hiukkasfysiikan Standardimallia laajennetaan kenties yksinkertaisimmalla tavalla, lisäämällä kolme neutriinoa.

Hiukkasfysiikan Standardimallissa on kahdenlaisia ainehiukkasia: kvarkkeja ja leptoneita. Värivuorovaikutus sitoo kvarkit protoneiksi ja neutroneiksi. Leptonit eivät tunne värivuorovaikutusta, ja niitä on kahdenlaisia: sellaisia joilla on sähkövaraus (kuten elektroni), ja sellaisia joilla ei ole. Varauksettomia leptoneita sanotaan neutriinoiksi, ja niitä on kolme erilaista.

Kaikista ainehiukkasista paitsi neutriinoista on neljä versiota: hiukkanen ja antihiukkanen, ja kummastakin kaksi spin-tilaa. Jälkimmäinen tarkoittaa karkeasti yksinkertaistaen sitä, että hiukkanen voi pyöriä vastapäivään tai myötäpäivään. Sanotaan, että on vasenkätinen ja oikeakätinen hiukkanen.

Kun Standardimallia muotoiltiin 1970-luvulla, siihen laitettiin vain vasenkätisiä neutriinoita, ei oikeakätisiä. Syynä oli yksinkertaisuus. Toisin kuin sähkövaraukselliset oikeakätiset ainehiukkaset, oikeakätiset neutriinot vuorovaikuttavat vain vasenkätisten kumppaneidensa kanssa, ja sitäkin heiveröisesti. (Siispä niitä kutsutaan myös steriileiksi neutriinoiksi.) Niinpä oikeakätisistä neutriinoista ei ole toistaiseksi mitään merkkiä, eikä Standardimallin matemaattinen rakenne edellytä niitä. Siksi niitä 1970-luvulla pidettiin ylimääräisinä.

Tuuli kääntyi 1990-luvulla, kun tavallisten, vasenkätisten, neutriinoiden havaittiin muuttuvan toisikseen. (Havainnosta on myönnetty Nobelin palkinto vuosina 2002 ja 2015.) Tämä on mahdollista vain jos neutriinoilla on massa – 1970-luvulla ne oli jätetty massattomiksi. Niinpä Standardimallia piti päivittää. Vasenkätisille neutriinoille voi antaa massat lisäämättä uusia hiukkasia, mutta on luontevampaa lisätä samaan syssyyn myös oikeakätiset neutriinot.

Tämä on kenties yksinkertaisin hiukkasfysiikan Standardimallin laajennus, ja nuMSM:ssä yritetään lypsää siitä niin paljon kuin mahdollista. Vasenkätiset neutriinot voivat muuttua paitsi toisikseen, myös oikeakätisiksi neutriinoiksi. Tällä ilmiöllä pyritään selittämään sekä pimeä aine että aineen ja antiaineen epäsuhta.

Kevyin oikeakätinen neutriino on oiva ehdokas pimeäksi aineeksi: sillä ei ole sähkövarausta (eikä värivarausta) ja se voi olla erittäin pitkäikäinen. On mahdollista että pimeä aine on syntynyt tavallisten neutriinoiden muuttuessa oikeakätisiksi neutriinoiksi varhaisessa maailmankaikkeudessa. Olen aiemmin kirjoittanut tästä, nyt avaan sitä, miten tavallisten neutriinoiden muuttuminen kahdeksi muuksi oikeakätiseksi neutriinoksi voisi selittää aineen ja antiaineen välisen epäsuhdan.

Vaikka kaikista ainehiukkasista on sekä tavallinen hiukkanen että antihiukkanen, maailmankaikkeudessa näkyvät kappaleet koostuvat vain hiukkasista. Ei ole antiaineplaneettoja, antiainetähtiä eikä antiainegalakseja. Kun aine ja antiaine kohtaavat, ne annihiloituvat, eli muuttuvat toisiksi hiukkasiksi, erityisesti fotoneiksi. Jos jossain olisi antiainetta, näkisimme aineen ja antiaineen rajapinnalla syntyvää annihilaatiosäteilyä. Jonkin verran tällaista säteilyä itse asiassa mitataan taivaalta, koska vinhasti pyörivissä neutronitähdissä ja supernovien jäänteissä syntyy pieniä määriä antihiukkasia, jotka törmäävät tavalliseen aineeseen.

Varhaisessa maailmankaikkeudessa tilanne oli toinen: ainetta ja antiainetta oli lähes yhtä paljon. Hiukkaspuurossa hiukkaset ja antihiukkaset törmäsivät ja annihiloituivat koko ajan, mutta vastaavasti fotonit muuttuivat koko ajan takaisin hiukkas- ja antihiukkaspareiksi, niin että aineen ja valon suhde pysyi tasapainossa. Esimerkiksi fotoneita ja elektroneita oli suunnilleen yhtä paljon.

Mutta kun maailmankaikkeus laajenee, fotonien aallonpituus venyy ja energia laskee. Niinpä jonkun ajan kuluttua fotoneilla ei ole enää tarpeeksi energiaa hiukkasten ja antihiukkasten tuottamiseen. Sitten hiukkaset ja antihiukkaset kuluttavat toisensa loppuun, kun uusia ei tule. Ensin katoavat top-kvarkki ja sen antihiukkanen, koska se on kaikkein raskain hiukkanen, eli sen tuottaminen vaatii eniten energiaa. Tämä tapahtuu maailmankaikkeuden ollessa noin sekunnin miljardisosan sadasosan ikäinen. Viimeiseksi poistuvat elektroni ja antielektroni, jotka kuluvat loppuun kun maailmankaikkeus on sekunnin vanha.

Jos ainetta ja antiainetta olisi ollut yhtä paljon, jäljelle oli jäänyt vain fotoneita ja neutriinoita. Ainetta oli kuitenkin hitusen verran enemmän. Nykyään maailmankaikkeudessa on noin miljardi fotonia jokaista protonia ja elektronia kohti, eli aineen ja antiaineen epäsuhta oli vain miljardisosan luokkaa. Kaikki näkyvät rakenteet koostuvat tuosta pienestä ylijäämästä.

Tapahtumaa jossa aineen ja antiaineen välisen epäsuhta saa alkunsa kutsutaan nimellä baryogeneesi, baryonisen aineen synty. Baryoninen aine tarkoittaa ainetta, joka koostuu kvarkeista. Nimi tulee siitä, että asiaa ajatellaan yleensä sen kautta, miten saataisiin tuotettua enemmän kvarkkeja kuin antikvarkkeja, ja elektronit tulevat siinä sivussa.

Nykymaailmankaikkeudessa baryoniluku säilyy. Protoneilla ja neutroneilla on baryoniluku +1, niiden antihiukkasilla -1. Aina kun syntyy protoneita ja neutroneita, syntyy siis yhtä paljon antiprotoneita plus antineutroneita. Varhaisessa maailmankaikkeudessa tämäkin on toisin.

Yksi suosittu mahdollisuus baryogeneesille on se, että Higgsin kentän olomuodon muutoksessa kehkeytyy kuplia, joiden törmäyksissä syntyy enemmän kvarkkeja kuin antikvarkkeja. Tämä vaatii sitä, että on olemassa uusia hiukkasia, jotka ovat jonkin verran mutta ei liikaa nykyistä raskaampia. Toistaiseksi sellaisia ei ole näkynyt.

nuMSM lähestyy baryogeneesiä kiertotien kautta. Baryoniluvun lisäksi nykymaailmankaikkeudessa säilyy (ainakin enimmäkseen) leptoniluku. Kaikilla leptoneilla on leptoniluku +1 ja niiden antihiukkasilla -1, oikeakätisiä neutriinoja lukuun ottamatta.

Kun tavalliset neutriinot muuttuvat oikeakätisiksi neutriinoiksi, leptoniluku siis muuttuu. Tässä voi syntyä epäsuhta leptonien ja antileptonien välille. Varhaisina aikoina (ennen sekunnin miljardisosan sadasosaa) baryoniluku ja leptoniluku sekoittuvat koko ajan, joten leptoniluvun ylijäämä siirtyy baryonilukuun.

Tapahtuman yksityiskohdat ovat monimutkaisia, vaikka lähtökohta on yksinkertainen. Tämä on yleensä hyvä merkki. nuMSM:n baryogeneesi nähtävästi toimii vain silloin, kun kahden raskaamman oikeakätisen neutriinon massat ovat lähellä protonin massaa ja hyvin lähellä toisiaan.

Toisin kuin Standardimallin laajennuksissa yleensä, nuMSM:ssä uusien hiukkasten havaitseminen ei ole vaikeaa siksi, että ne olisivat niin raskaita, vaan siksi, että ne vuorovaikuttavat niin heikosti. Suunnitteilla on useita kokeita, jotka yrittävät mitata näiden hiukkasten heiveröisiä signaaleja, esimerkiksi CERNin SHiP.

nuMSM kietoo neutriinojen muuttumisen toisikseen, pimeän aineen ja baryogeneesin tiiviiksi paketiksi. Oikeakätisten neutriinoiden massoilla on mallissa tiukat rajat, joten ne joko löydetään tai malli osoitetaan vääräksi. Tällainen ennustusvoimaisuus on käytännöllistä ja kaunista.

20 kommenttia “Vasemmalta oikealle”

  1. Matti Hult sanoo:

    Erinomaisen valaisevasti kirjoitettu -kiitos!

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kiitos, mukava kuulla. Tämä on vaikea aihe, kun asiaan liittyy niin muutama mutka ja useita erikoistermejä.

  2. Eusa sanoo:

    Neutriinojen massallisuuttahan ei ole suoraan todennettu eli saatu mitattua massat.

    On siten edelleen mahdollista, että neutriinoaalloilla on vain yhdenlainen kätisyys kuten valollakin ja on siten oma antihiukkasensa oikeakätisenä – rikkoutumaton symmetria.

    Jos kunnolla massiivisia neutriinoja havaittaisiin, laittaisi se melko lopullisen pisteen neutriinojen massattomuusmahdollisuudelle ja oskillaatio-olettaman vaihtoehdoille. Onko kiihdytinkokeiden ohjelmissa erityistä linjaa monikanavaisesti etsiä tuollaisia protonimassaluokan neutriinoja – onko siihen periaatteessa keinoja?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      On totta, että neutriinojen massoja ei ole vielä mitattu suoraan. Mittauksia tehdään laboratoriossa ja kosmologisesti (neutriinojen massoista jää jälki galaksien jakaumaan), saa nähdä kumpi pääsee ensin maaliin.

      Muitakin selityksiä neutriinoiden muuttumiselle toisikseen on esitetty. Ne ovat kuitenkin sen verta eksoottisempia ja monimutkaisempia kuin massat, että massoja pidetään jokseenkin varmennettuina. On totta, että asia ei kuitenkaan vielä ole järkevän epäilyn tuolla puolen.

      1. Eusa sanoo:

        Tartuit spekulointitoleranssin arviointiin, mutta itse kysymys jäi vastaamatta. 🙂

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Tosiaan.

          Vastaus löytyy tekstistä: ”Suunnitteilla on useita kokeita, jotka yrittävät mitata näiden hiukkasten heiveröisiä signaaleja, esimerkiksi CERNin SHiP.”

      2. Jernau Gurgeh sanoo:

        Jos neutriino-oskillaatio on varmasti todettu tapahtuvaksi, niin eikö tästä seuraa väkisin että neutriinoilla on massa, riippumatta siitä mikä itse oskillaation aiheuttaa?

        Jos neutriinon tila vaihtelee, niin silloinhan se kokee evoluutiota. Evoluutio tapahtuu aina ajassa? Jos hiukkanen kokee ajan, silloin se ei voi kulkea valonnopeudella, josta seuraa että sillä on oltava massa?

        Vai olenko ymmärtänyt ihan väärin, mistä asiassa on kysymys?

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Kyllä valonnopeudella liikkuvatkin hiukkaset muuttuvat – kuinkas muutenkaan, liikehän on paikan muutosta.

          Myös fotonien aallonpituus ja polarisaatio voivat muuttua.

          Jos aksioneja on olemassa, niin magneettikentissä fotonit sekoittuvat niihin samaan tapaan kuin neutriinot sekoittuvat toisiinsa.

          Ks. https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/totalitaristinen-periaate-ja-vanhan-ajan-romantiikka/

  3. Lentotaidoton sanoo:

    ” nuMSM kietoo neutriinojen muuttumisen toisikseen, pimeän aineen ja baryogeneesin tiiviiksi paketiksi. Oikeakätisten neutriinoiden massoilla on mallissa tiukat rajat, joten ne joko löydetään tai malli osoitetaan vääräksi. – nuMSM:n baryogeneesi nähtävästi toimii vain silloin, kun kahden raskaamman oikeakätisen neutriinon massat ovat lähellä protonin massaa ja hyvin lähellä toisiaan”.

    Eli mitkä ovat nämä ”tiukat rajat”? Jos ne ovat ”lähellä protonin massaa” niin luulisi näin ottaluulla mitaten niiden löytyvän helpostikin (vajaassa 1 GeV:ssä). Vai onko se vaikeus vain lähes olemattomassa vuorovaikutuksessa? Vai olenko (taas) väärässä?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kevyimmän neutriinon massa on noin 5-10 keV (eli noin kymmenesosa elektronin massasta). Alaraja tulee siitä, että galaksien ja kääpiögalaksien rakenne ei häiriinny liikaa: mitä kevyempi pimeän aineen hiukkanen, sitä vinhempaan se liikkuu ja sitä enemmän se pyyhkii rakennetta pois. Yläraja tulee siitä, että kevyin oikeakätinen neutriino voi hajota tavalliseksi neutriinoksi ja fotoniksi, ja noita fotoneita ei ole nähty.

      Aiemmin luultiin, että raskaampien massan pitää olla jokseenkin 1 GeV, ja massaeron noin 10 keV, mutta uusimpien laskujen mukaan massa voi olla ainakin kertalukua kevyempi tai raskaampi.

      Oikeakätisten neutriinojen löytämisen vaikeutena on se, että ne vuorovaikuttavat niin heikosti. Niitä voi etsiä tuottamalla tavallisia neutriinoita ja katsomalla katoaako osa niistä.

      Perinteisestihän tavalliset neutriinot ovat niitä hiukkasia, jotka havaitaan epäsuorasti siten, että jotain puuttuu. Tässä ne ovat niitä hiukkasia, jotka pitää mitata suoraan.

      Pitää siis suunnata tarkkaan detektoriin säde, jossa on paljon neutriinoja.

  4. Eusa sanoo:

    Neutriinoista ihan peruskysymys.

    Kun fotoni absorptiossa virittää energiatasonsa mukaisen tilan ja voi ryhmittyä inerferenssissä uudelle energiatasolle (PT-symmetria), mikä erottaa neutriinolajit niin, ettei kyse voisi olla yhden ”yleisen” neutriinolajin interferenssiryhmittymisestä?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kolme tavallista neutriinoa (elektronin neutriino, myonin neutriino ja taun neutriino) vuorovaikuttavat eri tavalla elektronin, myonin ja taun kanssa.

  5. Lentotaidoton sanoo:

    ”Perinteisestihän tavalliset neutriinot ovat niitä hiukkasia, jotka havaitaan epäsuorasti siten, että jotain puuttuu. Tässä ne ovat niitä hiukkasia, jotka pitää mitata suoraan”.

    Tulee mieleen Paulin ihmettely keksimästään neutriinosta v 1930: olen löytänyt hiukkasen jota ei pystytä koskaan löytämään. No kesti 26 vuotta (1956) ja neutriino löydettiin. Jäämme odottelemaan nuMSM neutriinoja. Onko neutriinoton kaksoisbeeta hajoaminen tässä avainasemassa?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Neutriinoton kaksoisbetahajoaminen on yksi koe, jossa noita raskaampia oikeätisiä neutriinoita voisi näkyä (kevyimmän vaikutus siihen on liian heikko). En osaa sanoa sen tärkeydestä suhteessa muihin kokeisiin.

  6. Lentotaidoton sanoo:

    nuMSM:hän on venäläis-suomalaista yhteistyötä, idean isäthän ilmeisesti Shaposnikov ja Enqvist

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      nuMSM on alun perin Takehiko Asakan ja Mikhail Shaposhnikovin esittämä, Kari Enqvist ei ollut mukana.

      https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/kauneusvirheen-korjaaminen/

  7. Sunnuntaipohdiskelija sanoo:

    Kiitos Syksy. Vaikka tässä artikkelissa kiihtyvää laajenemista ei käsitelty, niin siihen liittyen spekuloin olisiko niinkin yksinkertaista, että tyhjiö spontaanisti aina laajenee (kutsutaan sitä sitten kosmiseksi vakioksi tai tyhjiöpaineeksi). Kun massa on vähitellen keskittynyt galakseihin ja tyhjiöt niiden välissä ovat kasvaneet, globaali laajeneminen on ottanut vallan. Universumi ollaan kuvattu yleisesti laakeaksi. Viimeaikaisen Planckin tekemät mittaukset viittavat kuitenkin, että universumi voisi kaareutua pallomaiseksi pitkän laakean ajanjakson jälkeen. Mielenkiintoisena ajatuslekkinä voisiko kiihtyvä laajeneminen johtaa ylivalonnopeuteen, jolloin aika lähtee taaksepäin ja avaruus kaareutuu takaisin alkupisteeseen? Voisiko avaruus kaareutua kuin hyberboloidi, jonka päät yhdistyvät? Pimeä energia korreloi ilmeisesti ajan suunnan kanssa eli tällöin pimeäenergia muuttuisi lopulta negatiiviseksi. Olisi loogista ajatella, että pimeäenergia on johdannainen kvanttiilmiöistä kuten myös painovoimakenttä samalla tapaa kuin makroskooppinen massa on johdannainen energiasta.

  8. Sunnuntaipohdiskelija sanoo:

    Eikö tyhjiöenergia pysty selittämään laajenemista yksinään havaintojen perusteella? Eikö avaruudessa olevien tyhjien alueiden tilavuus korreloi kiihtyvän laajenemisen aiheuttamaan voimaan?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Tyhjiön energiaa on kaikkialla, oli ainetta tai ei.

      Koska tämä ei liity merkinnän aiheeeen, ei tästä sen enempää.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *