Kosmokseen kirjoitettua

Lapset ja kertomukset

12.9.2016 klo 17.19, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Puhun Kirkkonummen komeetan tilaisuudessa tiistaina 20.9. kello 18.30 aiheesta ”Kvanttivärähtelyjen lapset: kosminen inflaatio ja rakenteen synty”.

Puhun Tiedekulmassa Suomen luonto –lehden tilaisuudessa perjantaina 21.10. kello 15.30 aiheesta ”Miten kertoa luonnontieteistä kaikille?”. Esitystäni seuraa muidenkin puheita samasta aiheesta.

---

Kauneusvirheen korjaaminen

31.8.2016 klo 18.34, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Kun CERNin LHC-kiihdytin käynnistyi vuonna 2009, fyysikot saattoivat olla varmoja, että haaviin jää jotain merkittävää. Hiukkasfysiikan Standardimalli ei toimi LHC:n luotaamilla energioilla ilman Higgsin hiukkasta. Niinpä oli selvää, että LHC löytää Standardimallin Higgsin hiukkasen, jotain ennestään tuntematonta tai sekä että. Tylsin vaihtoehto voitti: Higgs löytyi, mutta mistään Standardimallin tuonpuoleisesta ei ole näkynyt jälkeäkään.

Standardimallin tuonpuoleista fysiikkaa on varmasti olemassa ainakin siksi, että Standardimalli ei pysty selittämään aineen ja antiaineen välistä eroa, eli baryogeneesiä, eikä pimeää ainetta. (Eikä myöskään neutriinojen massoja, joista on annettu Nobelin palkintojakin.) Pitkään myös ajateltiin, että kosmiseen inflaatioon tarvitaan jokin uusi kenttä, mutta nyt näyttää siltä, että Higgs pystyy hoitamaan homman.

Yleensä ajatellaan, että Standardimallin tuonpuoleinen fysiikka se on pysynyt piilossa siksi, että se liittyy raskaisiin hiukkasiin, joiden tuottamiseen tarvitaan korkeita energioita. Maailma on rakentunut hierarkisesti siten, että pienempään mittakaavaan ja massiivisempiin hiukkasiin käsiksi pääseminen edellyttää energian tikapuilla nousemista: atomeja voi hajottaa tulitikulla, mutta atomiydinten rikkomiseen tarvitaan raskaampaa kalustoa, ja kvarkkien näkeminen ydinten sisällä vaatii niiden iskemistä toisiinsa kiihdyttimillä.

Mutta on toinenkin mahdollisuus: ehkä hiukkaset eivät ole jääneet näkemättä siksi, että ne ovat raskaita, vaan siksi, että ne vuorovaikuttavat heikosti. Tällöin baryogeneesin ja pimeän aineen voisi selittää vetoamatta Standardimallia korkeampaan energiaskaalaan. Tämä on perusajatus Takehiko Asakan ja Mikhail Shaposhnikovin ehdotuksessa nimeltä nuMSM, eli neutriinojen Minimaalinen Standardimalli. Nimi lienee tarkoituksella valittu samantyyliseksi kuin MSSM, Minimaalinen Supersymmetrinen Standardimalli. MSSM on suosituin (ja ehkä yksinkertaisin) malli, joka toteuttaa idean siitä, että baryogeneesi ja pimeä aine ovat piilossa korkeammilla energioilla, ja vastaavasti nuMSM on yksinkertaisin malli, jossa vedotaan sen sijaan vuorovaikutuksen heikkouteen.

Nimen mukaisesti nuMSM:n keskeiset näyttelijät ovat neutriinoja, mutta eivät sellaisina kuin me ne tunnemme. Tavallisetkin neutriinot ovat hyvä esimerkki fysiikasta, joka on ollut piilossa vuorovaikutusten heikkouden takia. Kuten elektronit ja protonit, neutriinot ovat stabiileja, eli ne eivät koskaan hajoa. Neutriinot ovat toiseksi runsaslukuisimpia hiukkasia maailmankaikkeudessa, niitä on 83% fotonien lukumäärästä, noin miljardi jokaista protonia ja elektronia kohden, 341 kappaletta kuutiosenttimetrissä. Standardimallissa on kolmenlaisia neutriinoja, ja niistä ensimmäinen nähtiin suoraan vasta vuonna 1956, toinen 1962 ja viimeinen 2000, vaikka vihjeitä ja epäsuoria todisteita oli jo aiemmin.

Neutriinojen havaitseminen on vaikeaa, koska niillä ei ole sähkövarausta eikä värivarausta. Niinpä niitä ei voi nähdä eikä koskea, eivätkä ne ole atomiydinten rakennuspalikoita. Tavalliset neutriinot tuntevat kuitenkin Standardimallin kolmannen vuorovaikutuksen, eli heikon vuorovaikutuksen. Sen kautta niitä syntyy ydinten hajoamisissa, mitä kautta niistä alun perin saatiinkin vihiä.

Koska neutriinot ovat näkymättömiä massiivisia hiukkasia, niiden uumoiltiin aikoinaan selittävän pimeän aineen, mutta on osoittautunut, että ne ovat siihen liian kevyitä. (Baryogeneesiin niistä ei ole mitään apua.) nuMSM:ssä Standardimalliin lisätään kolmen tutun rinnalle kolme uutta neutriinoa, jotka ovat Higgsin hiukkasta kevyempiä. Hiukkaskiihdyttimistä ja kevyiden alkuaineiden synnystä kuitenkin tiedetään, että niillä ei tällöin voi olla heikkoja vuorovaikutuksia, muuten ne olisi jo havaittu. Koska uudet neutriinot eivät tunne mitään Standardimallin vuorovaikutuksista, niitä sanotaan steriileiksi.

Steriilit neutriinot eivät ole kummallinen ajatus. Standardimallissa kaikista ainehiukkasista paitsi neutriinoista on tavallaan neljä versiota. Voi ajatella, että hiukkasen lisäksi on olemassa antihiukkanen, ja toinen tekijä kaksi liittyy ominaisuuteen nimeltä spin, josta ei tässä sen enempää. Jos neutriinoillekin antaa kaksi uutta komponenttia, niin uudet komponentit voi käsittää uusiksi hiukkasiksi, steriileiksi neutriinoiksi. Neutriinoiden massojen antamisen myötä ne tulevatkin kuvaan varsin luontevasti. Itse asiassa Standardimalliin olisi kenties alun perinkin pitänyt ottaa mukaan neutriinoiden massat ja steriilit neutriinot.

nuMSM:ssä kevyin steriili neutriino on vastuussa pimeästä aineesta, ja kaksi muuta selittävät aineen ja antiaineen välisen epäsuhdan. Vaikka steriilit neutriinot eivät tunne Standardimallin vuorovaikutuksia, ne voivat muuttua tavallisiksi neutriinoiksi ja toisin päin. Baryogeneesi toimii nuMSM:ssä siten, että kun steriilit neutriinot muuttuvat varhaisessa maailmankaikkeudessa tavallisiksi neutriinoiksi, niin syntyy hieman enemmän neutriinoja kuin antineutriinoja, ja tämä ero sitten siirtyy Higgsin kentän jäätyessä muulle aineelle, ja lopulta protoneille. Mekanismin käytäntö on hyvin sotkuinen, joten ei mennä siihen tässä.

Tämä herättää myös kysymyksen siitä, että eikö tavallisten neutriinojen muuttumista steriileiksi sitten ole nähty kokeissa? Neutriinoja kuitenkin tutkitaan nykyään tarkasti, kuten surullisenkuuluisa OPERA teki tunnetuksi. Tällaisesta muuttumisesta on itse asiassa ollut joitakin ristiriitaisia vihjeitä, mutta ilmiötä ei ole koskaan luotettavasti havaittu, joten neutriinojen ja steriilien neutriinojen muutostodennäköisyyden pitää olla erittäin pieni.

Steriili neutriino voi myös hajota tavalliseksi neutriinoksi ja fotoniksi. Koska maailmankaikkeudessa on paljon pimeä ainetta, niin taivaalla pitäisi näkyä hajoamisesta tulevia röntgensäteitä. Jotta nuMSM toimisi, mutta kevyintä steriiliä neutriinoa ei olisi vielä näkynyt, sen massan pitää olla noin satatuhatta kertaa protonin massaa pienempi, ei enempää eikä vähempää. Koska sen hajoamisessa syntyvän röntgensäteen energia on puolet sen massaan liittyvästä energiasta, tiedetään melko tarkasti mitä etsiä. Kuten muiden pimeän aineen kandidaattien annihilaation kanssa, ongelmana on kuitenkin se, että taivaalla on kaikenlaista säteilyä, eikä ole yksinkertaista setviä, mikä siitä on peräisin pimeästä aineesta ja millä on arkisempi alkuperä.

Steriilien neutriinoiden näkeminen hiukkaskiihdyttimissä on vaikeaa, koska ne vuorovaikuttavat niin heikosti. Sitä varten tarvitaan kokeita, joissa ei panosteta törmäysten energiaan vaan lukumäärään, ja jotka on suunniteltu havaitsemaan steriilien neutriinoiden signaaleja, jotka ovat erilaisia kuin raskaiden hiukkasten, joihin LHC keskittyy. Mutta niitä voi etsiä myös galaksien muotoja tutkimalla.

Jos pimeä aine on nuMSM:n steriilejä neutriinoita, niin se saattaa selittää, miksi maailmankaikkeudessa nähdään vähemmän kääpiögalakseja kuin mitä simulaatioiden perusteella odottaisi. Steriilit neutriinot voivat auttaa asiaa, koska ne liikkuvat nopeasti ja pyyhkivät kääpiögalaksien siemeninä toimivia klimppejä aineen jakaumassa pois ennen kuin ne ehtivät kasvaa. Ne voisiat samaan tapaan tasoittaa galaksien keskustojen tiheyttä, mikä vaikuttaa sekin olevan todellisuudessa pienempi kuin simulaatioissa.

Tähän on tosin laitettava sellainen iso varaus, että ilmeisesti nämä piirteet on mahdollista selittää ilman mitään ylimääräistä fysiikkaa, kunhan vain tekee realistisempia simulaatioita. Mutta asian voi kääntää toisin päin: mitä vähemmän tilaa galakseissa on ylimääräiselle sotkemiselle, sitä helpompi on havaita tai sulkea pois uusia hiukkasia, jotka vaikuttaisivat niihin.

nuMSM:n steriili neutriino taitaa olla lempikandidaattini pimeäksi aineeksi. nuMSM on hyvin motivoitu, yksinkertainen ja vieläpä kokeellisesti lähiaikoina varmennettavissa tai poissuljettavissa. Siinä missä supersymmetriassa ja teknivärissä otetaan mukaan uudenlainen teoreettinen idea, jolla on kauaskantoisia seurauksia, kolmen steriilin neutriinon lisäämistä voi pitää vain Standardimallin kauneusvirheen korjaamisena. nuMSM:ssä tästä pienestä lisästä otetaan kaikki irti.

Hiukkasfysiikassa on totuttu siihen, että korkeammilla energioilla tulee aina vastaan paljon uutta fysiikkaa, esimerkiksi suunnitelmat seuraavista kiihdyttimistä perustuvat siihen odotukseen, että niistä avautuu uusi rikas ilmiömaailma. nuMSM menee eri suuntaan, eikä lupaile keidasta seuraavan kummun taakse. Jos tavoitteena on havaintojen selittäminen, niin nuMSM on kelpo paketti, mutta kun halutaan käyttää havaintoja todellisuuden ymmärtämiseen syvemmällä tasolla, niin se tuntuu pettymykseltä. Eräs kollegani totesikin, että nuMSM on hieno idea, ja hän todella toivoo, että se ei pidä paikkaansa.

---

Fysiikkaa runoilijoille

30.8.2016 klo 18.31, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Luennoin tänä syksynä Helsingin yliopistolla kurssin Fysiikkaa runoilijoille. Luennot ovat päärakennuksen salissa 12, alkaen ensi viikon tiistaina 6.9. kello 12. Kari Enqvist luennoi vuonna 2004 samannimisen kurssin. Tämä on variaatio samasta teemasta, eräänlainen opastettu retki fysiikan maailmaan.

Kyseessä on humanistisen tiedekunnan kurssi, joka on suunnattu heille, jotka eivät ole luonnontieteilijöitä eivätkä matemaatikkoja, mutta haluavat saada kuvan fysiikan käsitteistä, ilmiöistä ja maailmankuvallisesta merkityksestä. Aiheisiin kuuluu Newtonin klassinen mekaniikka, suppea suhteellisuusteoria, kvanttimekaniikka, kosmologia, kvanttikenttäteoria, hiukkasfysiikka ja yritykset kohti kaiken teoriaa. Tieteen historiaa ja filosofiaakin vähän käsitellään, mutta kyseessä on fyysikon kuvaus fysiikan teorioiden kehityksestä ja sisällöstä, ei kattava tieteenhistoriallinen katsaus.

Yliopistojen niin kutsutun rakenteellisen kehittämisen takia ensi viikolla alkavien humanistisen tiedekunnan kurssien tietoja ei vielä ole yliopiston sivuilla, joten sanaa sopii levittää asiasta mahdollisesti kiinnostuneille

---

Sattuman lapset

29.8.2016 klo 16.27, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Puhun sunnuntaina 4.9. kello 14 Oulun vapaa-ajattelijoiden tilaisuudessa otsikolla ”Sattuman lapset: monimutkaisuuden kasvu maailmankaikkeudessa”. Tieteenfilosofian tutkija Inkeri Koskinen puhuu samassa tilaisuudessa aiheesta ”Historiaa ja näennäishistoriaa”. Tilaisuuteen on vapaa pääsy, mutta tarjoilun takia pyydetään ilmoittamaan tulosta etukäteen osoitteeseen tok@penguincave.org.

---

Neljä vuosikymmentä erämaassa

10.8.2016 klo 03.02, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Viime viikolla alkaneessa ICHEP-konferenssissa on julkaistu CERNin LHC-kiihdyttimen kokeiden ATLAS ja CMS uusimmat tulokset. LHC on nostanut törmäysten tahtia: toukokuusta kesäkuuhun se tuplasi vuoden 2015 datamäärän, ja ehti vielä viime viikolla valmistuneeseen analyysiin tuplata sen taas.

Odotetuin ilmiö oli viime joulukuun vihjeet uudesta hiukkasesta: ATLAS ja CMS olivat nähneet poikkeuksellisen 750 GeVin fotonipareja, mikä saattoi kieliä uuden, tuntemattoman hiukkasen hajoamisesta. Kirjoitin joulukuussa seuraavasti:

”Lupaavaa on se, että kumpikin koeryhmä näkee samanlaisen signaalin. Tämä kasvattaa sen todennäköisyyttä, että kyseessä on todellinen ilmiö, eikä vain sattuma. Toisaalta kummankaan koeryhmän datassa yksinään signaali ei ole tilastollisesti merkittävä, eikä dataa ole vielä huolella yhdistetty, joten on liian aikaista sanoa signaalia merkittäväksi.”

Totesin myös, että ”outoa onkin sitten kaikki muu”, koska hiukkasesta ei näkynyt jälkeäkään muuten kuin ylimääräisinä fotoneina. Yleensä jos hiukkanen voi hajota kahdeksi fotoniksi, niin se voi hajota myös muunlaisiksi hiukkasiksi. Esimerkiksi Higgsin löydettiin myös kahdeksi Z-hiukkasen hajoamisen kautta. Maaliskuussa huhuttiin, että uusi hiukkanen ehkä julistettaisiin löydetyksi, mutta vaikka uusi data tuki havaintoa, se ei vielä riittänyt varmuuteen. Totesin, että ”viimeistään vuoden loppuun mennessä saataneen varmuus siitä, onko kyseessä löytö vai yksi monista vääristä vihjeistä siitä, mitä on Standardimallin tuolla puolen”. Kesäkuussa huhujen suunta oli kääntynyt siihen, että taas joudutaan pettymään.

Uusi data on nyt selvittänyt asian: uutta hiukkasta ei ole. Datassa ei näy mitään erityistä 750 GeVin energialla, eikä missään muuallakaan. Kyse oli vain kohinasta, sen takana ei ole signaalia.

Mahdollinen hiukkanen sai paljon julkisuutta, ja siitä tuli hiukkasteoreetikkojen pääasiallinen mielenkiinnon kohde puolen vuoden ajaksi. Aiheesta julkaistiin noin sata artikkelia kuukaudessa, ensimmäiset niistä oli jätetty vain muutaman tunnin kuluttua siitä kun tulokset oli julkistettu.

CMS-koeryhmän jäsen Tomaso Dorigo on sitä mieltä, että kokeellisten fyysikoiden olisi pitänyt olla varovaisempia tulostensa julkistamisen kanssa, mutta mielestäni kokeilijoissa ei ole tässä vikaa. Kun OPERA-koe piti vuonna 2011 lehdistötilaisuuden valoa nopeammista neutriinoista (jotka pian todettiin mittauslaitteiden virheeksi), saattoi alun alkujaankin sanoa, että heidän olisi pitänyt ensin setviä asiaa tarkemmin. Kun BICEP2 väitti vuonna 2014 havainneensa gravitaatioaaltoja, tulos näytti alkuun hyvältä, mutta ongelmia tuli pian esille, niin että saattoi sanoa ryhmän vetäneen mutkia turhan suoriksi. Sen sijaan ATLAS ja CMS tekivät nyt kaiken oikein: ne eivät väittäneet löytäneensä mitään eivätkä pitäneet lehdistötilaisuutta (mistä toimittajat antavat sellaisen käsityksen, että jotain merkittävää on löydetty, sanottiinpa siellä mitä tahansa).

Tapaus oli sikäli poikkeuksellinen, että naiivisti arvioitu todennäköisyys sille, että kyseessä on vain Standardimallin kohinaa, oli hyvin pieni: alle 1 vastaan 100 000, kun molempien koeryhmien datan laittaa yhteen. Tämän luvun tulkinnan kanssa pitää kuitenkin olla huolellinen, koska ATLAS ja CMS etsivät poikkeamia monista eri hiukkassignaaleista useilla energioilla. Jos tutkii kokeessa 20 eri asiaa, niin luultavasti jossain niistä saa tuloksen, jonka todennäköisyys on vain 5%, jos oletettu malli pitää paikkansa. Tästä ei tietenkään voi päätellä, että malli on 95% todennäköisyydellä väärin, kuten sarjakuva xkcd havainnollistaa. (Valitettavasti tätä ei monien alojen tiedeuutisoinnissa tunnuta hahmottavan.)

Hiukkasfysiikassa pitää ottaa huomioon ensinnäkin se, että olisi ollut aivan yhtä yllättävää, jos viitteitä uudesta hiukkasesta olisi näkynyt millä tahansa muulla energialla; tämä on suhteellisen suoraviivaista laskea. Mutta sen lisäksi täytyy pitää kirjaa siitä, että kokeissa on katsottu myös useita muita seikkoja kuin fotoniparien lukumääriä. Poikkeavan havainnon tilastollinen merkitys riippuu koko suoritetusta koesarjasta, ei vain niistä havainnoista, joissa poikkeama löydetään. LHC:n datasta tehdään kuitenkin niin paljon erilaisia analyysejä, joista kaikki eivät ole riippumattomia toisistaan, että on vaikeaa määritellä yksittäisen havainnon tilastollista merkitystä kiistattomasti. Perinteisesti on käytetty standardia, jonka mukaan naiivin todennäköisyyden (eli kun otetaan huomioon vain poikkeava havainto) pitää olla noin 1 vastaan kolme miljoonaa, ennen kuin voidaan julistaa mitään löydetyksi. Nyt kun dataa syynätään yhä useammilla eri tavoilla, voi olla, että tätä voidaan vielä joutua säätämään tiukemmalle. Higgsin kohdalla tämä raja ylittyi ATLAS-kokeen ja CMS:n kohdalla erikseen, joten mahdollisuus, että signaali olisikin kohinaa, oli mitättömän pieni. (ATLAS ja CMS eivät tosin ole täysin riippumattomia kokeita, koska niissä käytetään osittain samoja ohjelmistoja.) Myös LIGOn havaitsemien gravitaatioaaltojen löytämiseksi oli kaksi erillistä detektoria, ja vaikka kynnys taisi ylittyä vain niiden yhdistetyn datan kohdalla, tehtyjen analyysien määrä ja odotetut signaalit ovat  paremmin hallussa.

Higgsin tapaus oli erilainen myös sikäli, että havainnot olivat sellaisia, mitä uudelta hiukkaselta odottaisikin. En tarkoita vain sitä, että Standardimalli ennusti Higgsin olemassaolon ja sen massa oli rajattu pienelle alueelle, vaan myös sitä, että samaan aikaan fotoniparien kanssa näkyi muitakin signaaleja, jotka voimistuivat lisädatan myötä odotetulla tavalla. Sen sijaan 750 GeVin fotoniparit vaikuttivat alkuunkin kummalliselta. Tämä 750 GeVin haamujahti on esimerkki siitä, että naiivisti arvioitu todennäköisyys pitää tulkita sen valossa, kuinka luultavalta signaali vaikuttaa, ennen kuin sitä saadaan varmennettua. Tällaiset arviot ovat tietysti makuasioita, ja usein löytöjä on tehty sieltä, mistä niitä ei ole osattu odottaa.

Tilanne on sikäli hyvä, että LHC on käynnissä vielä pitkään, ja kiihdyttää törmäystahtiaan koko ajan. Niinpä uusista poikkeamista saadaan varmuus yksinkertaisesti vain odottamalla lisää dataa. Kun tiedettiin tarkkailla vain 750 GeVin energiaa ja vain fotonipareja tämän kesän datasta, niin ei ollut sellaista ongelmaa, että katsottaisiin monia asioita. Sanottiinpa tästä hiukkasjahdista mitä tahansa, niin ainakin asia selvitettiin tarkkojen kokeiden avulla, ja päädyttiin selvään tulokseen (vaikka se olikin muuta kuin mitä toivottiin). Periaatteessa ei siis tarvitse hätiköidä. Todellisuudessa teoreetikot kuitenkin rynnivät julkaisemaan vanhoja ideoita sadoissa uusissa kuoseissa selittämään 750 GeVin olematonta hiukkasta, ja on syytä huolestua siitä, että he jatkavat kohinan tulkitsemista.

Yksi syy tähän on se, että jos jonkun tikka osuu oikeaan niin hän on voittaja, mutta sadat muut eivät menetä mitään. Jos kukaan ei ole oikeassa, niin kaikkien tilanne on huono eli yhtä hyvä. Jokainen saa uusia julkaisuja ja uusia viitteitä, jotka ovat tutkijoiden keskuudessa käypää valuuttaa, eikä kukaan ole muita jäljessä. Toisaalta teoreetikot saattoivat siirtyä muiden tutkimusaiheiden parista tehtailemaan tieteellisiä artikkeleita tästä vain siksi, että ei ole parempiakaan ideoita. Standardimalli saatiin valmiiksi yli neljä vuosikymmentä sitten, ja neutriinojen muuttumista toisikseen lukuun ottamatta maan päällä ei ole löytynyt mitään sen tuolta puolen. (Taivaalla on toisin.)

Silloin kun rupesin opiskelemaan fysiikkaa Helsingin yliopistossa vuonna 1992, hiukkasfysiikan oppikirjoissa puhuttiin erämaasta, joka ulottuu Standardimallin energiaskaaloilta yhtenäisteorioihin asti. Tällä tarkoitettiin sitä, että välissä olevilla energioilla ei olisi mitään uutta fysiikkaa löydettävänä. Tämä olisi hyvin erilainen tilanne verrattuna tuntemiimme energioihin, missä on molekyylifysiikkaa, atomifysiikkaa, ydinfysiikkaa, värivuorovaikutus ja muu Standardimalli, kerros kerrokselta. Tällöin oli kuitenkin vielä sellainen ajatus, että Standardimallin lisäksi samoilla energioilla olisi sen kanssa paljon uutta fysiikkaa tutkittavaksi ennen erämaahan astumista. Suosittuja ideoita olivat erilaisiin esteettisiin näkemyksiin perustuvat supersymmetria ja tekniväri (olen itse mieltynyt jälkimmäiseen). Nyt kun mitään ei ole löytynyt, niiden taustalla olevat kauneuskäsitykset eivät näytä enää niin houkuttelevilta, mutta uusista tienviitoista ei ole vielä selvyyttä. Vaellus erämaassa uhkaa käydä pitkäksi.

Kesäöiden kohinaa

30.6.2016 klo 14.56, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Viime joulukuussa CERNin LHC-kiihdyttimen kokeet ATLAS ja CMS ilmoittivat kumpikin nähneensä tavallista enemmän fotonipareja, joiden yhteenlaskettu energia oli noin 750 GeV (yhden GeVin energia vastaa suunnilleen yhden protonin massaa). Tämä saattaa olla osoitus siitä, että LHC:n protonitörmäyksissä syntyy hiukkanen, jonka massa vastaa 750 GeVin energiaa, ja joka hajoaa kahdeksi fotoniksi. Tällainen löytö mullistaisi hiukkasfysiikan.

Aiheesta ilmestyi viikossa kymmeniä tieteellisiä artikkeleita, ja puolessa vuodessa niitä on kertynyt yli 600. Yksi syy intoon on se, että molemmat kokeet näkivät toisistaan riippumattomasti saman asian, vaikka niiden data ei yhdessäkään riittänyt siihen, että uutta hiukkasta voisi sanoa varmaksi. Kollegani Jester onkin kieli poskessa jakanut palkintoja tutkijoille, jotka ovat keränneet sadoittain viittauksia teoreettisilla selityksillään ilmiöstä, jota ei ehkä ole olemassa. (Hän on itsekin osallistunut kisaan kahden artikkelin voimalla.)

Maaliskuussa huhuttiin, että uuden data-analyysin myötä signaali olisi kirkkaampi, melkein niin selkeä, että voitaisiin julistaa hiukkanen löydetyksi. CMS:n mukaan signaalin voimakkuus nousikin, mutta ATLAS ei julkaissut kaikkia tuloksiaan, ja tarkempia uutisia jäätiin odottamaan.

Nyt koeryhmillä on käytössään kaksinkertainen määrä dataa joulukuuhun verrattuna, ja ne ovat aloittaneet sen setvimisen. Lisäksi LHC käynnistyi taas toukokuussa, ja se tahkoo törmäyksiä päivät yöt sellaista tahtia, että elokuussa datan määrä saattaa olla taas kaksinkertaistunut. Jahtiin on liittynyt ATLASin ja CMS:n seuraksi kolmaskin detektori, TOTEM (jossa fysiikan tutkimuslaitos on mukana, kuten CMS:ssäkin).

Koeryhmien nähtyä kesäkuussa uuden datan on alkanut kiertää huhuja, joiden mukaan fotonipareja oli syntynyt aiemmin vain sattumalta odotettua enemmän, eli uutta hiukkasta ei ole. Viimeistään elokuun ICHEP-konferenssissa signaalin pitäisi erottua kohinasta.

Aallot ajua lisää

22.6.2016 klo 23.07, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Viime kuussa Helsingissä vieraillut LIGO-tutkimusryhmän jäsen Stefano Foffa lupaili gravitaatioaaltouutisia kesäkuulle, emmekä joutuneet pettymään. Viikko sitten LIGO julkaisi toisen gravitaatioaaltohavaintonsa.

LIGOn ensimmäinen havaintokausi kesti neljä kuukautta, viime syyskuusta tammikuuhun. Ensimmäisen gravitaatioaaltonsa LIGO näki heti syyskuussa. Toinen aalto kulki Maapallon läpi tapaninpäivänä. LIGO saattoi nähdä niiden välissä lokakuussa kolmannenkin aallon, mutta todennäköisyys sille, että kyseessä on signaali eikä kohinaa on vain 87%, joten varmoja havaintoja on vain kaksi.

Sekä joulukuun että syyskuun aallot syntyivät kahden mustan aukon törmäyksessä. Syyskuun aukot olivat yllättävän isoja, niiden massa oli noin 30 Auringon massaa, joulukuun aukot olivat kevyempiä, 14 ja 8 Auringon massaa. Niinpä niiden lähettämät gravitaatioaallotkin olivat heikompia: törmäyksessä aukkojen massasta noin yhden Auringon verran muuttui gravitaatioaalloiksi. Tämä on vain kolmannes syyskuun törmäyksen aaltojen energiasta. LIGOn havaintoherkkyyden rajoissa oleva joulukuun aallon osa kesti sekunnin, minkä aikana 55 aallonharjaa pyyhki laitteiden läpi. Toisin kuin syyskuun aaltoa, tätä ei olisi havaittu, ellei sitä vastaavaa signaalia olisi löytynyt LIGO-ryhmän simulaatiokirjastosta. Uutta oli se, että ainakin toinen aukoista pyöri vinhaan akselinsa ympäri hyrrän lailla.

Toisen gravitaatioaallon näkeminen auttaa kartoittamaan poikkeamia yleisestä suhteellisuusteoriasta. Molemmat signaalit ovat sopusoinnussa sen kanssa, mitä suhteellisuusteoria ennustaa mustien aukkojen törmäyksistä. Teoria on kuitenkin sen verta monimutkainen, että tarvitaan lisää havaintoja kaikkien mahdollisten poikkeamien tarkkaan rajoittamiseen – tai jonkun niistä havaitsemiseen. Jotkut poikkeamat on nyt rajoitettu olemaan korkeintaan 10% luokkaa, toiset voisivat vielä olla muutaman sadan prosentin suuruisia.

LIGOn herkkyys paranee koko ajan. Tutkimusryhmä arvioi näkevänsä syksyllä alkavan puolen vuoden havaintokauden aikana ainakin kymmenen aaltoa. Ensi vuoden yhdeksän kuukautta kestävän kauden aikana haaviin pitäisi jäädä useita kymmeniä. Alun perin mustia aukkoja pidettiin eksoottisina kummajaisina. On sykähdyttävää ajatella, että jos LIGO saavuttaa suunnitellun herkkyyden, niin saamme elää aikana, jolloin mustien aukkojen törmäyksiä nähdään päivittäin.

---

Käänteitä taivaankannen selityksessä

30.5.2016 klo 21.26, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Puhuin toukokuussa inflaation ja Higgsin kentän mahdollisesta yhteydestä (esityksen kalvot ovat täällä), joten kirjoitanpa siitä jotakin tänne.
Inflaatio on yksi kosmologian tärkeimmistä tutkimuskohteista. Inflaatioidean mukaan maailmankaikkeuden laajeneminen kiihtyi ensimmäisen sekunnin murto-osan aikana ja maailmankaikkeus venyi miljardeja miljardeja miljardeja kertoja isommaksi. Inflaation aikaiset kvanttivärähtelyt muodostivat siemenet, joista maailmankaikkeuden kaikki rakenne on syntynyt. Niiden alkuperäinen muoto näkyy selkeimmin kosmisessa mikroaaltotaustassa.

Inflaatiosta arvellaan olevan vastuussa jokin koko avaruuden täyttävä kenttä. On esitetty satoja erilaisia ideoita siitä, millainen tämä kenttä tismalleen on. Voi olla, että kyseessä on jokin toistaiseksi tuntematon kenttä, mutta kokeellisesti työhön sopivia ehdokkaita tunnetaan tismalleen yksi: Higgsin kenttä, johon liittyvän Higgsin hiukkasen CERNin LHC-kiihdytin löysi vuonna 2012. Higgsin kenttä täyttää koko avaruuden tasaisesti, ja se antaa tunnetuille alkeishiukkasille (paitsi ehkä neutriinoille) massat.

Ajatuksen siitä, että Higgs olisi vastuussa inflaatiosta, esittivät Lausannessa Sveitsissä työskentelevät Fedor Bezrukov ja Mikhail Shaposhnikov vuonna 2007. Ajatus herätti paljon mielenkiintoa, ja sitä kohtaan esitettiin pian kritiikkiä. Yksi asia, josta on erityisesti kiistelty on se, miten inflaation, ja sen myötä kosmisen mikroaaltotaustan, yksityiskohdat riippuvat Higgsin massasta. Tuolloin LHC ei ollut vielä käynnistynyt, eikä Higgsin hiukkasen massaa tunnettu tarkkaan, oli vain laaja alue, missä sen tiedettiin olevan.

Bezrukovin ja Shaposhnikovin alkuperäisessä ehdotuksessa inflaatio tapahtuu jokseenkin samalla tavalla riippumatta siitä, mikä Higgsin massa tarkalleen on. Arvostelijat kuitenkin huomauttivat heti vuonna 2008, että kun otetaan huomioon muiden hiukkasten kvanttimekaaninen vaikutus Higgsin kenttään, sen käytös muuttuu siten, että inflaation yksityiskohdat riippuvat herkästi Higgsin massasta. Katsomalla taivaalta tulevia mikroaaltoja ja sitä, miten galaksit ovat jakautuneet miljoonien ja miljardien valovuosien mittakaavassa voidaan ennustaa, mikä Higgsin massan pitäisi olla. Arvostelijoiden mukaan muutos on vieläpä sellainen, että taivaankannen näkymät selittääkseen Higgsin pitäisi olla raskaampi kuin mitä kiihdytinhavainnot sallivat.

Higgs-inflaation kehittäjät ja muut tutkijat vastasivat tähän tekemällä entistä tarkempia laskuja siitä, miten kvanttiefektit vaikuttavat Higgsiin. Heidän tuloksensa vahvistivat, että inflaation kulku tosiaan riippuu Higgsin massasta, mutta osoittivat, että Higgsin ei tarvitse olla niin raskas kuin mitä oli väitetty: taivaan kuviot ovat sopusoinnussa kiihdytinten hiukkastörmäysten kanssa. Kun Higgsin massa saatiin vuonna 2012 tarkkaan selville, se oli niissä rajoissa, mitä Higgs-inflaatiomalli ennustaa.

Seuraava koettelemus oli se, että BICEP2-tutkimusryhmä väitti havainneensa inflaatiossa syntyneitä gravitaatioaaltoja. Ne olivat paljon voimakkaampia kuin ne, mitä Higgs-inflaatiossa oli ennustettu syntyvän. Bezrukov ja Shaposhnikov vastasivat osoittamalla, että on olemassa tapa saada Higgs-inflaatiosta voimakkaampia gravitaatioaaltoja, säätämällä muiden hiukkasten kvanttivaikutuksen yksityiskohtia tismalleen oikealla tavalla. Kun osoittautui, että BICEP2 oli nähnyt Linnunradan pölyä eikä muinaisten aikojen gravitaatioaaltoja, niin vanhakin versio Higgs-inflaatiosta kelpasi taas. Itse asiassa Higgs-inflaation ennusteet näyttivät sopivan Planck-satelliitin tekemiin tarkkoihin mittauksiin aivan erinomaisesti.

Kvanttimekaanisiin vaikutuksiin Higgsin kenttään on kuitenkin pitänyt vielä palata, ja ne ovat osoittautuneet odottamattoman kiperiksi. Higgsin käytös LHC:n törmäysenergioilla tunnetaan tarkkaan, mutta Higgs-inflaatiossa on kyse ainakin sata miljardia kertaa isommista energioista. Kun mennään korkeampiin energioihin, Higgsin käytös muuttuu, eikä se ole enää niin sävyisä kuin LHC:ssä.

Hiukkasfysiikan Standardimallin kertoo kauniisti, miten tunnettujen kenttien ja hiukkasten vuorovaikutukset riippuvat energiasta. Niinpä LHC:n mittausten pohjalta pitäisi olla mahdollista laskea, miten Higgs toimii inflaation aikana (olettaen, että välissä ei ole mitään toistaiseksi tuntematonta Standardimallin tuonpuoleista fysiikkaa, joka vaikuttaisi Higgsiin liikaa). Ongelmana on se, että inflaatiota tutkittaessa pitää ottaa huomioon hiukkasfysiikan lisäksi myös gravitaatio. Vuosikymmenten yrityksistä huolimatta ei ole saatu selville, miten gravitaatio ja kvanttiteoria oikein yhdistetään kvanttigravitaatioksi.

Inflaatio on toistaiseksi ainoa alue, missä kvanttigravitaatiota on pystytty kokeellisesti tutkimaan, eikä useimmissa inflaatiomalleissa tarvitse tietää tarkkaan, mistä kvanttigravitaatiossa on kysymys, pari yksityiskohtaa riittää ennustusten tekemiseen. Higgs-inflaation tapauksessa tarvitaan kuitenkin tavallista tarkempi ymmärrys siitä, miten gravitaatiota pitää kvanttimekaanisesti käsitellä. Asia on vielä tutkimuksen ja kiistelyn aiheena, eikä ole selvää, mitä Higgs-inflaation ennusteille käy.

Maaliskuussa Vera-Maria Enckell ja Kari Enqvist Helsingin yliopistosta sekä Sami Nurmi Jyväskylän yliopistosta julkistivat tutkimuksensa, jossa he lähestyvät asiaa agnostikon näkökulmasta. He jättävät avoimeksi sen, mikä kvanttikorjausten vaikutus tarkalleen on, ja käyvät läpi kokonaisen kirjojan vaihtoehtoja selvittääkseen sen, millaisia ennusteita Higgs-inflaatiosta ylipäänsä voi saada.

Toinen Higgs-inflaation mielenkiintoinen piirre on se, että sen ennusteet riippuvat gravitaatioteorian yksityiskohdista enemmän kuin useimpien inflaatiomallien, vaikka kvanttimekaniikkaa ei otettaisi huomioon. Jos inflaatiosta on vastuussa on Higgs, niin se voi tarjota ikkunan hiukkasfysiikan lisäksi myös gravitaatioon, mikä on eräs tämänhetkinen tutkimusaiheeni, jatko-opiskelija Pyry Wahlmanin kanssa.

Higgs-inflaation käänteet ovat esimerkki siitä, miten tutkimus etenee. Alkuperäistä ideaa kritisoidaa joskus rankastikin; osa huomioista on oikein, osa väärin, jotkut ristiriitaisia ja paljon on hämärää. Sen lisäksi, että teoreetikot ovat usein väärässä, niin BICEP2:n tapaus osoitti, että väitetyt havainnotkin ovat joskus pielessä, joten ei kannata heittää roskakoriin turhan helposti. Kun asioiden oikea laita lopulta saadaan selville, niin historian voi kirjoittaa yksinkertaiseen muotoon ja osa menneistä huolista voidaan pyyhkiä pois, mutta tutkimusta tehdessä asiat eivät ole ollenkaan niin selkeitä.

---

Isoja aukkoja, nopeita räjähdyksiä ja pieniä vuoria

23.5.2016 klo 17.30, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Viime viikolla tuttuni Stefano Foffa Geneven yliopistosta käväisi Helsingissä puhumassa gravitaatioaalloista. Stefano kuuluu LIGO-tutkimusryhmään, joka helmikuussa ilmoitti tehneensä syyskuussa historiallisen löydön ja havainneensa kahden mustan aukon törmäyksestä noin miljardi vuotta sitten syntyneet gravitaatioaallot.

Jo helmikuussa oli huhuja, että LIGOlla on pussissa enemmänkin havaintoja, joita ei oltu ehditty käydä kokonaan läpi. Stefano vahvisti tämän sanomalla, että oli toivonut voivansa kertoa meille uusista tuloksista, mutta valitettavasti niiden julkistaminen on viivästynyt kesäkuulle.

LIGO-havaintolaitteiden nykyinen versio advanced LIGO näki gravitaatioaaltoja jo vähän ennen kuin se varsinaisesti edes oli tiedekäytössä. Tämä voi viitata siihen, että musta aukko –pareja onkin luultua enemmän ja havaintoja saadaan paljon, mutta nyt niitä odotellaan tulevan noin kerran kuukaudessa. LIGOn havaitsemien mustien aukkojen massa oli myös yllättävän iso, noin 30 Auringon massaa, ja on kiinnostavaa katsoa, onko tällaisia keskikokoisia mustia aukkoja olemassa paljon, vai oliko tämä poikkeus.

LIGO on avannut gravitaatioaaltotähtitieteen aikakauden, ja suuri havaintomäärä mahdollistaa asioiden tutkimisen uudella tavalla. Esimerkiksi syyskuun havainnon perusteella ei vielä pysty kovin hyvin rajoittamaan mahdollisia poikkeamia yleisestä suhteellisuusteoriasta. Ongelmana on se, että jos muokkaa suhteellisuusteoriaa jollain tavalla, niin signaalia voi säätää toiseen suuntaan muuttamalla sitä, millainen mustien aukkojen järjestelmä on – mikä on niiden pyörimissuuntien suhde, missä kulmassa ne lähestyvät toisiaan, missä asennossa niiden pyörimistaso on meihin nähden, ja niin edelleen. Kun havaitaan suuri määrä erilaisia järjestelmiä, tämä epävarmuus saadaan poistettua, koska teorian muutokset vaikuttavat kaikkiin niistä samalla tavalla, mutta yksilölliset piirteet eri tavalla.

Mustien aukkojen ja neutronitähtien törmäysten lisäksi LIGOlla on mahdollisuus nähdä gravitaatioaaltoja nopeasti pyörivien neutronitähtien vuorista sekä kenties supernovaräjähdyksistä. Jälkimmäistä rajoittaa se, että supernovaräjähdysten yksityiskohtia ei vielä ymmärretä, vaikka niillä on keskeinen asema maailmankaikkeuden kiihtyvän laajenemisen luotaamisessa. Mustat aukot ovat gravitaation kannalta äärimmäisiä ilmiöitä, alueita joissa tila kaartuu itseensä, niin että sieltä ei pääse pois. Niiden käsitteleminen on kuitenkin sikäli suoraviivaista, että voi vain laittaa yleisen suhteellisuusteorian lait ohjelmaan ja pistää koneen raksuttamaan. (Tämä ei ole ihan niin helppoa kuin miltä se kuulostaa.) Supernovissa pitää seurata gravitaation lisäksi myös ydinräjähdysten syttymistä ja räjähdysrintaman etenemistä sekä valon ja neutriinoiden kulkua tähden sisällä. Vaikka kaikki tähän liittyvä fysiikka tunnetaan periaatteessa, on näiden monimutkaisten tapahtumien tarkka laskeminen hankalaa.

Gravitaatioaallot ovat heikkoja, joten on suuri apu, jos tietää tarkkaan, mitä etsii. LIGOlla on mustien aukkojen törmäyksistä satojen tapahtumien kirjasto, johon havaintoja verrataan. Odotettua signaalia käytetään suodattimena, jolla kohinasta seulotaan signaalia. Ideana on se, että koska kohina ei ole korreloitunut signaalin kanssa, niin mitä pidempi havaintojakso on, sitä selvemmin signaali näkyy kohinan seasta. Mustien aukkojen tapauksessa seuranta-aikaa rajoittaa se, että niiden lähettämien gravitaatioaaltojen taajuus riippuu siitä, miten lähellä ne ovat toisiaan: mitä lähempänä aukot ovat, sitä nopeammin ne kieppuvat ja sitä isompi on aaltojen taajuus. Kun aukot ovat liian kaukana toisistaan, niiden lähettämien aaltojen taajuus on liian pieni, eli aallonpituus on liian iso, että LIGO näkisi niitä. Supernovien tilanne on vielä hankalampi, koska niiden gravitaatioaaltosignaalista puuttuu aukkojen lähestymistä vastaava osuus, jonka avulla signaali löytyy kohinasta, siinä on vain loppukiihdytys.

Neutronitähtien vuorien kohdalla tilanne on päinvastainen. Neutronitähdet ovat eläkkeelle siirtyneitä tähtiä, jotka ovat kutistuneet hyvin pieniksi, suunnilleen kymmenen kilometrin kokoisiksi. Tämän takia ne pyörivät hyvin nopeasti – kun pyörivä kappale pienenee, se pyörii nopeammin, kuten taitoluistelussa näkee. Neutronitähdet ovat hyvin tasaisia, mutta niiden pinnalla saattaa olla millimetrin kokoisia poikkeamia pallon muodosta. Nopean pyörimisliikkeen takia näiden pienten epätasaisuuksien lähettämät gravitaatioaallot saattavat olla havaittavissa LIGOlla. Niiden tilanne on päinvastainen kuin supernovilla: signaalissa ei ole mitään erityistä huippua, se on kokonaan kohinan alla, mutta toisaalta juuri siksi, että signaali ei muutu, sitä voidaan seurata vuosien ajan, niin että mitä pidempään havaintoja tehdään, sitä paremmin neutronitähtiä pitäisi näkyä.

Havaintoja on tulossa paljon lisää. LIGOn havaintoasemien verkkoon palaa kahden Yhdysvalloissa olevan aseman lisäksi tänä syksynä kolmas, Italiassa oleva Virgo. Rakenteilla on myös ainakin kaksi uutta havaintoasemaa. Viikon sisällä siitä, kun LIGO helmikuussa ilmoitti onnistumisestaan Intian hallitus päätti, että Intiaan rakennetaan LIGOn kanssa yhteistyössä uusi havaintoasema LIGO-India. Japaniin rakennetaan par’aikaa havaintolaitetta nimeltä KAGRA, joka aloittanee toimintansa vuoden 2020 tienoilla.

Havaintoasemien määrä ei auta vain kohinan vaimentamisessa, niiden avulla saadaan myös paremmin selville gravitaatioaaltojen tulosuunta. LIGOn kahden havaintoaseman avulla pystyy vain määrittämään taivaalla kaaren, jolla aaltojen lähde sijaitsee. Kolmella detektorilla lähteen paikan saa rajoitettua kahden kaaren risteyksiin, ja neljällä yhteen pisteeseen, tai käytännössä pieneen läiskään. Tästä on apua, jos halutaan selvittää, näkyykö taivaalla gravitaatioaaltolähteen lähettämää sähkömagneettista säteilyä. Supernovien pitäisi näkyä taivaalla, kun taas kahden mustan aukon paikalla lähettämän säteilyn odottaisi olevan liian heikkoa, että sen näkisi satojen miljoonien valovuosien päästä. On tosin väitetty, että kiertoradalla oleva Fermi-teleskooppi olisi nähnyt gammasäteitä (eli korkeaenergistä sähkömagneettista säteilyä), jotka olisivat peräisin LIGOn näkemästä kahden mustan aukon törmäyksestä. Tämä olisi hyvin yllättävää, ja tulevilla havainnoilla saadaan varmistettua asian laita.

---

Voimalinjojen siemenet

28.4.2016 klo 21.55, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Eräs maailmankaikkeuden silmiinpistävimpiä piirteitä on se, että siinä on rakenteita hyvin pienestä äärimmäisen isoon mittakaavaan. Galaksien superryppäiden tyypillinen koko on kymmenen miljoonan valovuoden luokkaa, ja isoin tunnettu rakenne on miljardin valovuoden pituinen galaksirihma Sloan Great Wall, joka on nimetty Sloan Digital Sky Surveyn mukaan. Rihman itse asiassa näki ensin havaintoprojekti 2dFGRS, mutta he eivät keksineet nimetä sitä.

Lisäksi niidenkään galaksien, jotka eivät kuulu isompiin rakenteisiin, sijainnit eivät ole riippumattomia toisistaan. Galaksit eivät ole syntyneet maailmankaikkeuteen tasaisesti sinne tänne, vaan niiden jakaumalla on tarkka muoto.

Paras selitys tämän rakenteen alkuperälle on kosminen inflaatio. Inflaatioidean mukaan maailmankaikkeuden ensimmäisen sekunnin perukoilla kenttä nimeltä inflatoni täytti koko avaruuden. Inflatoni kiihdytti avaruuden laajenemista, mikä puolestaan venytti inflatonin kvanttivärähtelyjä kosmisiin mittoihin ja jäädytti ne paikalleen. Nämä inflatonin epätasaisuudet ovat sittemmin olleet galaksien ja muun rakenteen siemeniä.

Näkyvien galaksirihmastojen, ja niiden taustalla olevan pimeän aineen, lisäksi maailmankaikkeudessa on isoja rakenteita, jotka eivät koostu aineesta, vaan magneettikentistä. Magneettikenttien linjat ulottuvat valovuosista suurimpaan havaittavaan mittakaavaan, kymmeniin miljardeihin valovuosiin. (Olen aiemmin kirjoittanut, että miljoonaa valovuotta isompia magneettikenttiä ei havaittu. Tutustuttuani aiheeseen enemmän olen sitä mieltä, että se oli ehkä turhan varovainen arvio, vaikka havainnoista kiistelläänkin vielä.)

Galaksien magneettikentät ovat noin miljoona kertaa Maapallon magneettikenttää heikompia, mutta kosmisessa mittakaavassa ne ovat aika voimakkaita. Ne ovat vahvistuneet samalla tavalla kuin Maapallonkin magneettikenttä. Sähkövaraukset synnyttävät sähkökenttiä, ja pyörteiset sähkökentät synnyttävät magneettikenttiä. Maapallon metalliytimessä kiertävät sähkövirrat saavat aikaan magneettikenttiä, ja niissä liikkuvat sähkövaraukset synnyttävät lisää sähkövirtoja, jotka taas vahvistavat magneettikenttiä. Samalla tapaa galaksien pyöriminen voimistaa niiden magneettikenttiä. Galakseissa ei kuitenkaan ole samanlaisia isoja sähkövirtoja kuin Maapallon ytimessä, joten on epäselvää, mistä niiden magneettikentät ovat saaneet alkunsa.

Vielä hankalampi on selittää sitä, että magneettikenttiä on löydetty myös galaksien välisestä avaruudesta, miljardien valovuosien pituudelta. Ne ovat paljon galaksien kenttiä heikompia, ei tiedetä tarkalleen kuinka paljon: ainakin tuhat kertaa, kenties jopa sata miljoonaa kertaa heikompia. Suurimmillaan ne olisivat sattumoisin yhtä vahvoja kuin ihmisen aivojen magneettikentät. Ensi silmäyksellä yksinkertaisin selitys näille kentille olisi se, että ne ovat vuotaneet galakseista. Näitä isokokoisia magneettikenttiä vaikuttaa kuitenkin olevan jo melko varhaisessa maailmankaikkeudessa, ja on vaikea selittää sitä, miten ne olisivat ehtineet muodostua galakseissa ja valua ulos tarpeeksi nopeasti.

Eräs mahdollinen selitys on se, että galaksienväliset magneettikentät ja galaksien alkumagneettikentät eivät ole syntyneet sähkökentistä, vaan tyhjästä. Jos galaksien siemenet ovat syntyneet inflaation aikana kvanttifluktuaatioista, niin ehkä sama pätee magneettikenttiin? Tämä selittäisi magneettikenttien ison koon: ne ovat venyneet inflaation aikana.

Ongelmana on kuitenkin se, että magneettikentän kvanttifluktuaatiot käyttäytyvät laajenevassa avaruudessa eri tavalla kuin inflatonin. Kvanttifluktuaatioita on koko ajan kaikkialla, mutta arkioloissa ne ovat hyvin pieniä ja lyhytkestoisia. Kiihtyvä laajeneminen venyttää inflatonin värähtelyt kosmisiin mittoihin ja jäädyttää ne paikalleen. Näin pienestä värähtelystä syntyy mittavia epätasaisuuksia. Sähkömagneettinen kenttä käyttäytyy toisin: sen värähtelyt eivät jäädy paikalleen, ne vain jatkavat pomppimista ylös ja alas, vaikka avaruus kuinka laajenisi.

Jos tunnetut fysiikan lait eivät tuota haluttua tulosta, niin voi keksiä uusia. Magneettikenttien esimerkiksi ei odottaisi vuorovaikuttavan inflatonin kanssa, koska inflatonilla ei ole sähkövarausta. Jos kuitenkin muuttaa fysiikan lakeja siten, että magneettikentät kytkeytyvät suoraan inflatoniin tarvitsematta sähkövarausta, niin inflatoni antaa niille lisäpotkua, ja niiden kvanttivärähtelyt muuttuvat siten, että ne voivat synnyttää havaitut magneettikentät – ehkä.

Tässäkin on ongelmansa. Yksi on se, että kvanttivärähtelyt eivät synnytä vain magneettikenttiä, vaan myös sähkökenttiä, ja niistä tulee helposti liian voimakkaita. Toinen ongelma on se, että kun inflatoni antaa pontta magneettikentille, ne helposti rupeavat vuorovaikuttamaan sähköisesti varattujen hiukkasten kanssa liian voimakkaasti, jolloin tapahtumien seuraaminen muuttuu hyvin hankalaksi.

Itse työstän yhteistyökumppanieni kanssa artikkelia, jossa luulimme hetken keksineemme tavan välttää yllämainitut ongelmat. Olemme kuitenkin päätyneet vain toteamaan, miten vaikeaa se on, ja kaventamaan entisestään ratkaisun mahdollisuuksia.