Kosmokseen kirjoitettua

Muisto läheisestä yhteydestä

31.8.2021 klo 19.38, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Kosminen mikroaaltotausta on vanhinta valoa. Se irtosi aineesta, kun maailmankaikkeus oli 380 000 vuoden ikäinen. Sitä ennen lämpötila oli niin korkea, että atomit eivät pysyneet kasassa, vaan aine koostui irrallisista ytimistä ja elektroneista. Valo poukkoili jatkuvasti niiden sähkövarauksista, eikä päässyt liikkumaan vapaasti. Maailmankaikkeus oli tämän takia läpinäkymätön, kuten Aurinko nyt.

Kun katsoo Aurinkoa, näkee millainen se oli kahdeksan minuuttia sitten, kun silmiimme saapuva valo irtosi sen pinnalta. Kun katsoo kosmista mikroaaltotaustaa, näkee millainen maailmankaikkeus oli 14 miljardia vuotta sitten, kun havaintolaitteeseemme saapuva valo irtosi aineesta.

Vaikka emme näe Auringon sisään, sen pinnalta tulevasta valosta voi tehdä johtopäätöksiä siitä mitä sisustassa tapahtuu. Samoin kosmisesta mikroaaltotaustasta voi lukea jotain siitä, mitä tapahtui ennen sen irtoamista aineesta.

Mikroaaltotaustasta näytetään useimmiten kuva, missä on sen kirkkaus eri puolilla taivasta.

Tällaiset kuvat on koostettu muutamalla aallonpituudella tehdyistä mittauksista. Mikroaaltotaustaa voi myös mitata toisin päin: monella eri aallonpituudella, mutta välittämättä siitä mistä suunnasta valo tulee. Sitä, paljonko valoa on kullakin aallonpituudella kutsutaan spektriksi.

Kun COBE-satelliitin käänteentekevät tulokset mikroaaltotaustasta julkistettiin vuonna 1992, paljon huomiota kiinnitettiin juuri spektriin, jonka mittaus palkittiin vuonna 2006 puolikkaalla Nobelilla. Valon aallonpituus määräytyy suoraan sen energiasta, ja havaittu spektri noudattaa ennustettua lämpötasapainon energiajakaumaa mittauksen tarkkuudella, joka on yksi kymmenestuhannesosa.

Tämä oli merkittävä todiste sen puolesta, että maailmankaikkeus oli varhain kuuma ja tiheä. On nimittäin vaikea selittää miten mikään tähdissä, molekyylipilvissä tai missään muualla nykymaailmankaikkeudessa syntynyt valo olisi tarkkaan samassa lämpötilassa kaikkialla alun perin, ja koska valo vuorovaikuttaa itsensä kanssa vain heikosti, irrallaan kulkeva valo ei kulje kohti lämpötasapainoa. Mutta vanha valo kantaa yhä muistoa ajasta, jolloin se oli läheisesti yhteydessä aineeseen.

Sittemmin tärkeämmäksi on noussut COBEn mittaus mikroaaltotaustan jakaumasta taivaalla. Tämä ensimmäinen havainto kosmisen mikroaaltotaustan epätasaisuuksista palkittiin toisella puolikkaalla Nobelista vuonna 2006, ja on usein mainittu ”täsmäkosmologian” alkuna. Epätasaisuuksista on tullut kosmologian keskeinen havaintokohde, jonka avulla on onnistuneesti luodattu niin pimeää ainetta kuin muinaisten aikojen inflaatiota.

Mutta myös mikroaaltotaustan aallonpituusjakauma kertoo menneestä. Niin kauan kuin hiukkaset ovat tiukasti kytköksissä toisiinsa, ne siirtyvät takaisin kohti lämpötasapainoa jos niitä häiritään. Palautuminen kestää kuitenkin aikansa, ja valon irrottua aineesta se ei enää juuri vuorovaikuta, ja säilyttää silloisen tilansa. Niinpä mikroaaltotaustan spektriin kirjattu historiaa ajalta hieman ennen valon ja aineen irtoamista.

Jos kosmista keittoa häiritsee ennen kuin maailmankaikkeus on noin vuoden ikäinen, niin se ehtii palautua tasapainoon ennen valon irtoamista 380 000 vuoden iässä. Vuoden ja 380 000 vuoden välillä tapahtuneet jäljet eivät sen sijaan ehdi kadota ennen fossiloitumistaan mikroaaltotaustaan.

Yksi esimerkki mahdollisesta häiriötekijästä on hiukkasten hajoaminen. Jos on olemassa tuntemattomia hiukkasia, joiden elinikä on jotain kuukauden ja miljoonan vuoden väliltä, niiden hajoaminen jättäisi jälkensä mikroaaltotaustaan. COBEn mittausten perusteella tällaisten hiukkasten osuus maailmankaikkeuden energiatiheydestä pitää olla alle kymmenestuhannesosa, koska mitään merkkejä niistä ei ole nähty. Havainnot rajoittavat yhtä lailla myös sitä, paljonko kevyitä mustia aukkoja voi olla olemassa, jotta niiden Hawkingin säteilyn vaikutus ei näkyisi spektrissä.

Tällaisten spekulaatioiden lisäksi on yksi asia, jonka varmasti tiedämme hämmentävän muinaista puuroa: mikroaaltotaustassa näkyvät aineen epätasaisuudet. Gravitaation takia sopan sattumat tihentyvät entisestään, kunnes mukana kasautuvan valon paine työntää tiheän alueen takaisin, minkä jälkeen se taas tihentyy. Tämä aaltoilu työntää keittoa pois lämpötasapainosta siirtämällä energiaa fotonien välillä. Spektriin jää näin jälki keiton lyhyistä aalloista, jotka ovat jo ehtineet vaimeta mikroaaltotaustan irrotessa aineesta ja joita ei siksi siinä suoraan nähdä.

Koska epätasaisuudet ovat hyvin pieniä, sadastuhannesosan suuruisia, COBEn tarkkuus ei riittänyt havaitsemaan niistä johtuvia häiriöitä. Mikroaaltotaustan spektriä ei ole mitattu COBEn jälkeen, ja teknologia on kehittynyt valtavasti kolmen vuosikymmenen aikana, joten nykyisillä laitteilla nämä epätasaisuuksien jäljet näkyisivät. Tähän kaavailtiin 2010-luvulla PIXIE-satelliittia, jota ei kuitenkaan rahoitettu, mutta yhä valmistellaan paluuta spektrin mittaamiseen, jotta näkisimme muinaisten aikojen aineeseen pintaa syvemmälle.

---

Kuratoitu läpileikkaus

9.8.2021 klo 21.53, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Viime viikolla oli merkittävä vuotuinen kosmologiakonferenssi COSMO. Tällä kertaa se järjestettiin Yhdysvaltojen Illinois’n yliopistossa ja pidettiin etänä. COSMO-konferenssien sarja alkoi vuonna 1997, tavoitteena tuoda hiukkasfyysikkoja ja kosmologeja lähemmäs. Nykyään kentät lomittuvat niin sujuvasti, että nuorempi sukupolvi ei edes tiedä, että niiden välillä oli aiemmin paljon epäilyä ja väärinkäsityksiä.

COSMO-konferenssien johtokunnan jäsen Leszek Roszkowski mainitsi hiukkasfysiikasta Nobelin saaneen Martinus Veltmanin ykskantaan todenneen, että kosmologia ei ole tiedettä. Mielipide meni Veltmanin mukana tammikuussa hautaan, ja nykyään kukaan fyysikko tuskin esittää tällaisia kommentteja. Hiukkasfyysikoiden mielenmuutosta on edesauttanut se, että kosmologiassa on tehty läpimurtoja havaintojen saralla, merkittävimpänä vuonna 1998 julkistetut (ja 2011 Nobelilla palkitut) maailmankaikkeuden kiihtyvästä laajenemisesta kertovat supernovahavainnot.

Tämän vuoden COSMOssa näkyi, miten havaintovetoista kosmologia on, ja miten paljon teknologia ja data-analyysi ovat kehittyneet. Kun vuonna 2000 aloitin tutkimuksen tekemisen, muotiterminä oli ”täsmäkosmologia”. Tässä COSMOssa ei sanaa juuri kuultu, koska havaintojen ja analyysin täsmällisyys on ilmeistä ja tunnustettua.

Kosmologiakonferensseissa ei julkisteta uusia tuloksia eikä artikkeleita, jotka ovat kaikki luettavissa nettiarkistosta arXiv, mutta ne tarjoavat kuratoidun läpileikkauksen alan tilanteeseen ja ponnistuslaudan ajattelulle. Ohjelma koostuu kutsutuista puheista, jotka ovat enimmäkseen katsauksia johonkin osa-alueeseen, ja osallistujien omasta työstään tarjoamista lyhyemmistä esityksistä. Vuosien varrella naisten osuus on kasvanut merkittävästi: tämän vuoden 24 kutsutusta puhujasta 15 oli (nimen ja ulkonäön perusteella oletetusti) naisia.

Gravitaatioaalloilla oli ansaitusti iso rooli. Uusien havaintojen (ja Nobelin) edesauttamana alan tutkimus on laajentunut nopeasti. Kun kosmisen mikroaaltotaustan epätasaisuuksien ensimmäiset mittaukset julkistettiin vuonna 1992, data-analyysin ja havaintojen ohella kehitettiin rivakasti erilaisia tapoja hyödyntää dataa ja lukea siitä kaikenlaista. Gravitaatioaallot ovat nyt samalla tavalla uusi väline, jolla voi luodata tähtien kehitystä, raskaiden alkuaineiden muodostumista, neutronitähtien rakennetta, värivuorovaikutusta, mustien aukkojen muodostumista, maailmankaikkeuden laajenemisnopeutta, yleistä suhteellisuusteoriaa, Higgsin kentän olomuodon muutosta ja niin edelleen. Kuten LIGO-koeryhmän Daniel Holz asian ilmaisi, tutkijat ovat odottaneet gravitaatioaaltojen datatulvaa, ja nyt se on alkanut.

Teoreetikot vaihtavat kentältä toiselle onnistumisten vetämänä ja epäonnistumisten hylkimänä. Monet vaikkapa gravitaatioaaltoihin tai Higgsin kenttään liittyvistä viime vuosien uusista ideoista olisi voitu keksiä vuosia sitten, mutta niitä ei tullut ajatelleeksi kuin havaintojen ja uuden keskustelun myötä. Teknologia ajaa havaintoja, mikä ruokkii teoriaa, mikä osoittaa miten analysoida ja tehdä havaintoja.

Teknologian kehitys näkyy myös teoriapuolella esimerkiksi siinä, että yhä enemmän tehdään raskaita yleisen suhteellisuusteorian kaikki yksityiskohdat huomioon ottavia numeerisia laskuja ei vain mustien aukkojen törmäyksistä, vaan myös kosmisesta inflaatiosta ja sen loppumisesta.

COSMOssa näkyi se, miten teoreetikot ovat siirtyneet enemmän lähellä havaintoja oleviin rajattuihin malleihin suureellisten rakennelmien sijaan. Säieteoria oli kuitenkin vielä vahvasti ainakin hengessä mukana. Tähän saattaa vaikuttaa se, että teoreettinen tutkimus on Yhdysvalloissa enemmän sidottua siihen, sen muotivirtauksiin ja persoonallisuuksiin kuin Euroopassa tai Aasiassa.

Gravitaatioaaltohavaintojen inspiroimana mahdollisten muinaisten mustien aukkojen tutkimus on paisunut. Pimeän aineen tutkimusta on päinvastoin ajanut havaintojen puute: koska aiemmin suosituinta ehdokasta pimeäksi aineeksi, nynnyä, ei ole löytynyt, tutkitaan yhä enemmän kaikenlaisia mahdollisuuksia.

Yksi esille nostettu idea on makroskooppinen pimeä aine, eli pimeä aine, joka koostuu isoista kasoista yhteen sitoutuneita hiukkasia, tavallisen aineen tapaan. Tällaisia kasoja pitäisi etsiä aivan eri tavalla kuin yksittäisiä hiukkasia, esimerkiksi katsomalla iskeytyykö tähtiin asteroidin massaisia mutta paljon nopeampia möykkyjä.

On aina havaintoja, jotka ovat ristiriidassa teorian kanssa, ja voi kestää kauan, ennen kuin saadaan selville, onko ongelma havainnoissa, teoriassa vai jossain oletuksissa. Yksi tällainen ongelma on se, miksi maailmankaikkeudessa näyttää olevan vain noin neljännes siitä määrästä litium-7:aa (eli ytimiä, joissa on kolme protonia ja neljä neutronia) mikä ennustetaan syntyvän maailmankaikkeuden ensimmäisten minuuttien aikana. Poikkeama on tilastollisesti erittäin merkittävä. Nyt on viimein paikallistettu uskottava mahdollinen selitys. Litiumin määrä on arvioitu vanhojen tähtien pinnalta, ja uusien havaintojen nojalla niissä on tapahtunut odotettua enemmän kehitystä, missä pinta on voinut sekoittua alempien kerrosten kanssa, johtaen litiumin tuhoon.

Kosmologian puhutuin ristiriita tällä hetkellä on se, että eri havainnot näyttävät antavat eri arvon maailmankaikkeuden laajenemisnopeudelle. Vastakkain ovat asettuneet erityisesti kosminen mikroaaltotausta ja kosmisen naapuruston supernovat. Kosmisen mikroaaltotaustan fysiikka tunnetaan erinomaisesti ja mittaukset ovat tarkkoja, mutta laajenemisnopeuden lukeminen siitä vaatii oletuksia pimeästä energiasta. Etäisyyksien mittaaminen supernovalla kärsii epävarmuuksista tähtien ja muiden järjestelmien mallintamisessa, mutta ei juuri riipu siitä, millaista pimeä energia on (tai onko sitä).

Havaintoryhmä Dark Energy Surveyn uudet havainnot galaksien jakaumasta ja gravitaatiolinssivääristymistä tukevat kosmisen mikroaaltotaustan tuloksia. Supernovapuolella on avautunut sisäinen ristiriita eri etäisyysmääritysten välillä: yksi tapa sopii yhteen kosmisen mikroaaltotaustan kanssa, toinen ei ja kolmas on liian epätarkka, että voisi vielä sanoa. Kovasta syynäämisestä huolimatta kummastakaan tarkassa supernovamenetelmässä ei ole löydetty virhettä. Mutta nyt tiedetään paremmin mistä katsoa, ja voi olla että huolellisen analyysin jälkeen osoittautuu että ongelmana on supernovien ympäristön tai tähtien mallintaminen, tai jokin muu kosmologian kannalta arkinen lähipiirin touhu.

COSMOn sävy oli innostunut ja eteenpäin ravaava. On uusia tarkkoja havaintoja, tulevia innostavia projekteja ja hauskoja teoreettisia ideoita. On silti syytä muista, että vaikka havainnot voivat tarjota vastauksen isoihin kysymyksiin –pimeän aineen luonne, kiihtyvän laajenemisen syy, inflaation yksityiskohdat, aineen ja antiaineen epäsuhdan synty– ja paljastaa jotain yllättävää, siitä ei ole mitään taetta. Kosmologian tulevaisuus on havaintojen arpapeliä.

---

Hienosta karkeaan

29.6.2021 klo 18.41, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Joskus törmää käsitykseen, että fysiikka on täsmällistä kuten matematiikka; jotkut puhuvat ”eksakteista tieteistä”. On kuitenkin erilaisia täsmällisyyden asteita, ja fyysikot ja matemaatikot suhtautuvat täsmällisyyteen eri tavoin.

Tutkimuksessaan Beamtimes and Lifetimes antropologi Sharon Traweek mainitsee, että teoreettiset hiukkasfyysikot arvostelevat kollegoitaan siitä, että nämä ovat liian matemaattisia. Pitääkin paikkansa, että teoreetikot yleensä pitävät sellaista matematiikkaa, joka on kehittyneempää kuin mitä he itse käyttävät joko tarpeettomana hienosteluna tai fysiikalle lähtökohtaisesti merkityksettömänä. Vastaavasti matematiikkaa, joka on vähemmän kehittynyttä kuin omassa käytössä oleva pidetään liian alkeellisena. Yksi hiukkasfysiikan puolelta tullut kosmologikollega kerran kutsui astrofyysikkojen käyttämää matematiikkaa kivikautiseksi. Vähemmän kehittyneiden matemaattisten menetelmien voidaan myös katsoa kertovan siitä, että niiden käyttäjä ei ole kovin terävä.

Tällä on pitkät perinteet: vielä suppean suhteellisuusteorian löytämisen aikoihin Albert Einstein piti kehittynyttä matematiikkaa tarpeettomana ja ajatteli, että fysikaalinen intuitio riittää. Tämä olikin kenties syynä siihen, että keskeisen oivalluksen siitä, että teoriassa ei ole kyse vain suhteellisesta ajasta ja avaruudesta, vaan absoluuttisesta aika-avaruudesta, teki Hermann Minkowski eikä Einstein. Yleisen suhteellisuusteorian kohdalla tämä lähestymistapa ei enää riittänyt, teoria vaati perehtymistä fysiikalle ennennäkemättömään avaruuksien hienosyiseen matematiikkaan, jonka matemaatikot olivat 1800-luvulla löytäneet.

Matemaattinen fyysikko Peter Goddard on maininnut vuodelta 1971 yhden kuvaavan esimerkin tuon ajan hiukkasfyysikoiden asenteesta (50 vuodessa on tapahtunut muutosta). Luennoitsija teki taitavasti monimutkaisia laskuja ja kääntyi yleisöön sanoen: ”Minulle on kerrottu, että tämän kaiken voi tehdä helpommin, jos käyttää ryhmäteoriaa. Mutta minä sanon teille, että jos olet vahva, niin et tarvitse ryhmäteoriaa.”

Traweek toteaa, että matemaatikot (kuten myös taiteilijat) ovat kuitenkin hiukkasfyysikoiden normaalin arvojärjestyksen ulkopuolella. (Sen huipulla on luonnollisesti hiukkasfysiikka, vaikka usko omaan erinomaisuuteen onkin Traweekin kartoittamasta 1970-80-luvusta horjunut, koska suosituista teorioista ei ole löytynyt hiukkaskiihdyttimissä merkkiäkään.) Matemaatikoiden täsmällisyyttä ja matemaattisten rakenteiden tuntemusta kunnioitetaan, vaikka siihen voidaan samalla suhtautua huvittuneesti, koska joitakin matemaatikkojen tutkimia asioita pidetään ilmeisinä tai yhdentekevinä. Tämä saattaa liittyä osittain siihen, että fyysikot eivät täysin hahmota, mitä matemaatikot oikein tekevät.

Minullakin oli aikoinaan sellainen hämärä käsitys, että matemaatikkojen suhde matematiikkaan on samanlainen kuin fyysikoilla, vain huolellisempi. Matematiikassa on kuitenkin tutkimusaiheena matematiikka, eli (fyysikon karkeasti sanomana) mahdolliset loogiset suhteet asioiden välillä. Fysiikassa taas matematiikka on työkalu luonnon ymmärtämiseen. Liiallista mielenkiintoa työkaluun työstettävän asian sijaan pidetään turhanaikaisena. Fysiikassa on täsmällisyyden asteita: teorioiden soveltamisessa matematiikkaa saatetaan kohdella reseptikirjana, vailla mielenkiintoa siihen miksi asiat pitävät paikkansa, toisaalta teorioiden muotoilussa voidaan mennä syvälle matemaattiseen rakenteeseen.

Täsmällisemmästä päästä ovat fyysikoiden ja matemaatikoiden rajalla olevat niin kutsutut matemaattiset fyysikot. Fyysikot pitävätkin heitä matemaatikkoina – en ole varma, mitä mieltä matemaatikot ovat. Matemaattiset fyysikot tutkivat matemaattisia rakenteita, joita pidetään fysiikalle oleellisina. Fyysikot eivät tosin aina ole niiden oleellisuudesta samaa mieltä. Olen kuullut erottelun, jonka mukaan fyysikot etsivät menetelmiä ongelmiensa ratkaisemiseen, kun taas matemaattiset fyysikot etsivät ongelmia, joihin käyttää menetelmiään. (Puhuja ei ollut matemaattinen fyysikko.)

Fields-mitalilla palkittu matemaatikko Alain Connes on todennut, että (kenties matemaattisten) fyysikoiden ”jokseenkin vapaa” suhtautuminen matematiikkaan on ”omaperäinen ja tuottoisa”, ja sillä on ollut hyvin positiivinen vaikutus. Hän viittasi erityisesti säieteorian yhteydessä ja liepeillä tehtyyn tutkimukseen, missä fyysikot ovat löytäneet uusia matemaattisia rakenteita ja yhteyksiä, joita matemaatikot ovat sitten tarkemmin ymmärtäneet. Säieteoria lieneekin toistaiseksi antanut matematiikalle enemmän kuin fysiikalle.

Koska fyysikot ovat vähemmän täsmällisiä ja käyttävät rouheampaan ajatteluun soveltuvia työkaluja, he pystyvät etenemään matemaatikkoja nopeammin. Kolikon toinen puoli on se, että toisin kuin matemaatikoilla, fyysikoilla on usein epämääräinen kuva siitä, mitä tarkalleen on todistettu ja mitä ei, ja mitä oletuksia jokin tulos edellyttää: lyhyesti sanottuna, mikä on totta. Fysiikassa onkin niin kutsuttuja folkloreteoreemoja, kansanperinnelauseita, joissa on epäselvää mistä tuloksessa on tarkalleen kyse, mitä oletuksia oikein tehdään, ja joita kukaan ei ole ehkä koskaan osoittanut todeksi. Usein ne pitävät tarpeeksi hyvin paikkansa, joskus kompastuu niiden puutteisiin – ja toisinaan tapahtuu edistystä, kun vedenpitäväksi luullusta asiasta paljastuukin rako, josta avautuu uusi näkymä.

Sankarien riisumista

22.6.2021 klo 20.23, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Tammikuisessa monimuotoisuuteen ja naisten asemaan fysiikassa keskittyvän NORNDiP-verkoston konferenssissa suositeltiin antropologi Sharon Traweekin teosta Beamtimes and Lifetimes: The World of High Energy Physics. Sain kirjan nyt luettua, ja se onkin mielenkiintoinen katsaus fyysikoihin.

Traweek tutki kokeellisten hiukkasfyysikkojen yhteisöä Yhdysvalloissa ja Japanissa 1970- ja 80-luvulla. Osa kirjan huomioista on vanhentuneita, mutta siinä on myös paljon oivalluksia, jotka pätevät yhä ja myös teoreetikoihin. Noihin aikoihin toisen maailmansodan jälkimainingeissa työnsä aloittanut fyysikoiden sukupolvi oli siirtymässä pois johtoasemista. Tämä fyysikoiden joukko suurelta osin määritti nykyisenkin kokeellisen toimintatavan ja kulttuurin.

Osallistuminen Yhdysvaltojen armeijan projekteihin sodan aikana oli opettanut fyysikoita hallinnoimaan suuria projekteja, viestimään päättäjien kanssa ja haalimaan rahoitusta. Toisaalta fysiikka oli osoittanut sodassa käyttökelpoisuutensa, mikä sai poliitikot alttiiksi rahoittamaan sitä avokätisesti. Kuten Traweek kuivasti huomauttaa, hiukkasfyysikot pitävät kuitenkin kohtuuttomana sitä, että suuri yleisö yhdistää heitä mitenkään yhdistetään aseteknologiaan, ja sodan jälkeen tehtiinkin rajanveto rauhanomaisen ja sotilaallisen tutkimuksen välillä.

Traweek kirjoittaa siitä sitä, miten tärkeää antropologille on sekä pitää ulkopuolinen näkökulma tutkimaansa yhteisöön että ymmärtää se sisältäpäin. Tämän ulkopuolisuuden saamiseksi hän muuttikin Yhdysvalloista Japaniin tutkimaan hiukkasfyysikoita myös siellä, erityisesti KEK-laboratoriossa. Vaikka Traweek yleistää turhan helposti japanilaisesta kulttuurista, hänen vertailussaan Yhdysvaltoihin on kiinnostavia havaintoja.

Traweek toteaa, että yksi keskeinen syy yhdysvaltalaisten laboratorioiden (erityisesti SLACin) japanilaisia parempaan menestykseen oli se, että Japanissa hallitus seurasi tarkkaan tutkimusprojektien rahankäytön yksityiskohtia, ja laitteita rakennettiin yritysten tukemisen ehdoilla. Yhdysvalloissa projekteilla oli enemmän vapautta käyttää rahaa ja enemmän valtaa rakentaa laitteet itse, ja ne tekivät yhteistyötä yritysten kanssa omista lähtökohdistaan.

Toisaalta vallan keskittyminen johtajalle ja sanomaton mutta tiukka hierarkia Yhdysvalloissa kummastutti japanilaisia tutkijoita. Traweekin mukaan Japanissa koko henkilöstö puhui laboratoriota koskevista kysymyksistä, ja johto teki päätöksensä keskusteltuaan asiasta laajasti. Yhdysvalloissa tärkeistä asioista eivät usein edes tienneet muut kuin johtoporras. Hän vertaa japanilaista yhteisöä perheeseen ja yhdysvaltalaista urheilutiimiin. Traweekin mukaan monet yhdysvaltalaiset tutkijat eivät edes tulleet ajatelleeksi, että yhteistyötä ja yhteistä päätöksentekoa korostava järjestely voisi tuottaa paremman tuloksen kuin keskinäinen kilpailu ja vahva johtaja.

Tähän liittyy uskomus siitä, että fysiikan yhteisössä korkein status on osoitus parhaista taidoista, ja palkkiot (kuten rahoitus ja kokeissa käyttöön annettu aika) jakautuvat aina ansioiden mukaan. Kuten Traweek kartoittaa, samaan aikaan fyysikot ovat usein sitä mieltä, että tietyt korkeassa asemassa olevat henkilöt (tyypillisesti kilpailevista ryhmistä) tekevät aivan onnettoman huonoa työtä. Tällaiset ristiriitaiset käsitykset ovat vieläkin osa hiukkasfysiikan yhteisöä.

Traweek setvii hyvin sitä, miten hatara käsitys fyysikoilla on alansa historiasta. Fyysikoita kiinnostaa menneisyydessä vain heidän suorat edeltäjänsä; vääriksi osoittautuneet ideat ja virheelliset kokeet eivät kuulu kertomukseen. Traweek ei juuri liioittele kirjoittaessaan, että ”heidän fysiikan historiansa on lyhyt hagiografia ja lista ihmeitä”. Tämä kuva rakentuu oppikirjoista alkaen, minkä yksi syy on se, että niiden tarkoituksena on opettaa tekemään fysiikan tutkimusta, ei kirjoittamaan fysiikan historiaa. Oppikirjat myös koulivat fyysikkojen yhteisöön ja opettavat millainen on hyvä fyysikko.

Traweekin kaikki analyysi ei vakuuta. Hän esimerkiksi kirjoittaa, että fysiikan kursseilla opetetaan vain ratkaisemaan tiettyjä ongelmia ja tunnistamaan miten uudet ongelmat ovat samanlaisia: siellä ei opeteta ” induktiota eikä deduktiota vaan analogista ajattelua”. Tämä analyysi vaikuttaa vieraalta, enkä oikein ymmärrä mitä hän tarkoittaa. Asiaan voi vaikuttaa se, että Traweekilla ei ole luonnontieteellistä koulutusta ja hän vaikuttaa perustavan johtopäätöksensä paljolti oppikirjoihin. Fysiikan oppikirjoja lukemalla niitä on varmasti vaikea ymmärtää, millaista on opiskelu, joka keskittyy ihmistieteitä enemmän tekemiseen eikä lukemiseen. Fysiikassa ei esimerkiksi opiskella erikseen fysiikan metodeja, vaan asioita opitaan käytännössä vähän kuin käsityössä sen mukaan mitä tarvitaan. Tämä suhde metodeiksi kutsuttuihin asioihin on erilainen kuin ihmistieteissä, ja niiden pääasiallinen oikeutus on se, että ne toimivat, mistä kokeet ja matematiikka antavat puolueettoman tuomion.

Traweekin mukaan antropologille on tärkeää olla ottamatta kantaa tutkimansa yhteisön uskomusten todenperäisyyteen, mikä on käsittääkseni tavallinen näkemys. Tämä tuntuu oudolta, koska uskomusten suhde todelliseen havaittuun maailmaan kertoo myös niiden syistä ja auttaa niiden ymmärtämistä. Uskomus siitä, että Aurinko nousee aamulla juontuu eri syistä kuin uskomus siitä, että Kristus nousee kuolleista.

Antropologinen näkökulma tuottaa kuitenkin valaisevia havaintoja esimerkiksi suhteessa säteilyturvallisuuteen. SLACissa kiihdytinalue on rajattu ulkopuolisesta julkisesta tilasta aidalle, minkä Traweek yhdistää kulttuuriseen rajanvetoon puhtaan ja saastuneen välillä, ja salatun ja kielletyn yhteyteen. Tätä voisi pitää ylitulkintana ja nähdä asian vain säteilyturvallisuuskysymyksenä, ellei ottaisi huomioon, että alueella ei SLACin mukaan oleellisesti ole säteilyvaaraa, eikä Japanin KEK-laboratoriossa ole vastaavia aitoja.

Muuten Traweekin kuvaukset kokeista ja laitteistoista eivät ole kirjan kiinnostavinta antia. Ne havainnollistavat kyllä sitä, miten paljon teknologia on kehittynyt. SLACin koeasema K-Zero rekisteröi 24 miljoonaa reaktiota viidessä ja puolessa vuodessa ja seuraavan sukupolven LASS rekisteröi saman määrän kolmessa kuukaudessa; nykyään LHC rekisteröi 40 miljoonaa törmäystä sekunnissa. Traweek kommentoi, että hiukkasfysiikka eroaa monista muista tutkimuksen aloista siinä, että laitteet edustavat kehittyneintä saatavilla olevaa teknologiaa, ja fyysikot itse suunnittelevat ja rakentavat ne itse, eivät hanki valmiina.

Kokeiden kuvauksen yhteydessä olevat Traweekin selitykset fysiikan sisällöstä menevät yllättävän usein hieman pieleen ottaen huomioon, miten pitkään hän oli tekemisissä fyysikoiden kanssa ja työskenteli sitä ennen SLACin suurelle yleisölle suunnatussa vierailijaohjelmassa. Myös laitteiden lukeminen sukupuolisten ja seksuaalisten vertauskuvien kautta on paikoitellen liioiteltua. Traweek esimerkiksi esittää SLACin (Stanford Linear Accelerator Center) esimerkkinä laboratorioiden ja kokeiden nimien sukuelimellisyydestä. (Englannin sana slack, joka äännetään samalla tavalla kuin SLAC, tarkoittaa velttoa.)

Enimmäkseen Traweekin huomiot sukupuolten jakaumasta ja niihin liittyvistä asenteista fyysikoiden keskuudessa ovat kuitenkin perusteltuja. Hän käsittelee myös jonkun verran rodullistettujen asemaa yhdysvaltalaisessa fysiikan yhteisössä, mutta tämä tarkastelu jää pinnallisemmaksi. Epätasa-arvo on yhä ongelma, mutta edistystä on tapahtunut, ja nykyään avoin naisten vähättely on harvinaisempaa. Minua yllätti, että 70-80-luvulla fyysikot pitivät itsestään selvänä, että he ovat naimisissa, ja juoruilivat ahkerasti naimattomien miesten vastuuttomasta romanttisesta elämästä tai seksielämästä, minkä katsottiin haittaavan heidän työtään. Tällaiseen en ole Euroopassa törmännyt, enkä usko sen elävän enää Yhdysvalloissakaan.

Traweekin havainnot juorujen eli epämuodollisen yhteisöä koskevan puheen tärkeästä roolista tiedon välittämisessä pitävät muuten monin osin vieläkin paikkansa. Samoin hänen kartoituksensa fyysikkojen omakuvan kehityksestä romanttisista sankareista (mikä opitaan oppikirjoista) kohti haavoittuvampaa ylevyyttä tuntuu yhä osuvalta. Huomiot aggressiivisesta keskinkertaisuuden väheksymisestä, käsityksestä fyysikoiden erinomaisuudesta verrattuna muihin tutkijoihin, ja tarpeeksi rajatuissa raameissa pysyvän itsenäisen ajattelun palkitsemisesta pätevät nekin vielä.

Traweek kirjoittaa liikuttavasti siitä, miten fyysikoiden pelot ja käsitys ajasta kehittyvät. ”Uransa aikana fyysikko oppii menneisyyden mitättömyyden, pelon siitä, että on liian vähän aikaa nykyhetkessä, ja ahdistuksen siitä, että tulee tarpeettomaksi liian nopeasti edistyvän tulevaisuuden myötä.” Traweekin mukaan fysiikan kulttuuri ”huolella ylläpitää näitä kauhuja, kuin ne olisivat hyvien fyysikoiden välttämättömiä moottoreita”. En ole varma, onko tämä totta, mutta aikaan liittyvät huolet ovat iso osa fyysikon arkea. Tämän tiimoilta kirjassa on yksi havainto, joka tuntuu nykynäkökulmasta surulliselta: kirjoitusaikaan vain korkeimmissa asemissa olevien fyysikoiden odotettiin hankkivan rahoitusta, nykyään se on kaikkien riesa.

Traweek aloittaa kirjansa siitä, miten fyysikot yleensä esitetään elämää suurempina sankareina, maailmankaikkeuden mysteerien papistona. Kirjan yksi tarkoitus on demytologisoida fyysikot, kuvata sitä, miten he todella ajattelevat, toimivat, puhuvat, ja ylläpitävät yhteisöään. Tarkastelun syvyyden vaatima rajoittuma kokeelliseen hiukkasfysiikkaan kahdessa maassa vie hieman pohjaa sen yleistyksiltä. Silti kirja auttoi paremmin jäsentämään omia kokemuksiani teoreettisessa hiukkasfysiikassa ja sille läheisessä kosmologiassa, vähentämättä romanttista kiintymystä niihin.

Suti ja vasara

30.5.2021 klo 17.10, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Hiukkaskiihdyttimissä voi löytää uusia hiukkasia kahdella tavalla. Suoraviivaisinta on iskeä kaksi hiukkasta toisiinsa niin kovaa, että törmäyksessä syntyy etsitty hiukkanen. Toisaalta vaikka kokeessa ei syntyisi uutta hiukkasta, sen olemassaolon voi päätellä siitä sen vaikutuksesta tunnettuihin hiukkasiin.

Jo ennen kuin Higgsin hiukkanen luotiin protonien törmäyksillä vuonna 2012, sen olemassaolosta oli paljon epäsuoraa todistusaineistoa. Higgs antaa massan heikkoa vuorovaikutusta välittäville W– ja Z-bosoneille ja vaikuttaa niihin liittyviin hiukkasreaktioihin. Olisi ollut vaikea selittää muiden hiukkasten käytöstä ilman Higgsiä.

Yksi tällä hetkellä kiinnostava väylä uusien hiukkasten epäsuoraan havaitsemiseen on B-mesonit. Tiistaina kokeellinen fyysikko Mitesh Patel Iso-Britannian Imperial Collegesta puhui Helsingin yliopiston Fysiikan tutkimuslaitoksen seminaarisarjassa niiden uusimmista kuulumisista.

B-mesonit ovat yhdistelmähiukkasia, jotka koostuvat yhdestä bottom-antikvarkista ja yhdestä up-, down-, charm- tai strange-kvarkista. Kvarkit ovat alkeishiukkasia, jotka esiintyvät vain sidottuina tiloina, joita kutsutaan hadroneiksi. (Paitsi hyvin kuumissa ja/tai tiheissä olosuhteissa varhaisessa maailmankaikkeudessa ja ehkä neutronitähtien keskustassa.) Hadroneita on pääasiassa kahdenlaisia: baryoneita, joissa on kolme kvarkkia ja mesoneita, joissa on yksi kvarkki ja antikvarkki. Myös monimutkaisempia yhdistelmiä on havaittu. Protoni on ainoa pysyvä hadroni. Vapaa neutroni hajoaa 15 minuutissa, muut hadronit hajoavat sekunnin murto-osassa.

Hiukkasten hajoaminen on sattumanvarainen tapahtuma, ja voidaan ennustaa vain se, millä todennäköisyydellä mitäkin hiukkasia syntyy ja mihin suuntaan ne liikkuvat. B-mesonin tapauksessa tämä voidaan periaatteessa laskea hiukkasfysiikan Standardimallista. Ongelmana on se, että kvarkit liikkuvat ja vuorovaikuttavat hadronien sisällä monimutkaisella tavalla. Niinpä on vaikea laskea tarkasti, miten mesoni hajoaa, etenkin silloin kun lopputulosten joukossa on toinen mesoni. Ongelma voidaan ohittaa siten, että ei verrata vain havaintoja ja teoriaa, vaan myös havaintoja toisiinsa.

Esimerkiksi ei osata tarkkaan laskea B-mesonin hajoamista K-mesoniksi ja elektroni-positroni-pariksi, eikä K-mesoniksi ja myoni-antimyoni-pariksi, eikä K-mesoniksi ja tau-antitau-pariksi. Mutta kaikissa kolmessa laskussa on sama ongelmakohta, eikä se vaikuta hajoamisten suhteeseen. Voidaan siis ennustaa, että kaikki nämä hajoamiset ovat (lähes) samanlaisia, vaikka ei osata laskea sitä, millaisia ne tarkalleen ovat.

Teorian mukaan B-mesoni siis hajoaa yhtä usein kaikiksi kolmeksi pariksi, ja parin jäsenet lentävät samoihin suuntiin, riippumatta siitä ovatko ne elektroneja, myoneja vai tauta antihiukkasineen.

Tänä keväänä julkistettujen CERNin LHC-kiihdyttimen LHCb-kokeen havaintojen mukaan kuitenkin B-mesoni hajoaa useammin elektroneiksi kuin myoneiksi. Jos Standardimalli pitää paikkansa, kerätyllä datamäärällä todennäköisyys tälle on 1:500. Kuten kokeellinen hiukkasfyysikko Tommaso Dorigo huomauttaa, tästä ei voi päätellä, että on tehty löytö 99.8% todennäköisyydellä. Koska kiihdytindatasta tarkistetaan satoja tai tuhansia erilaisia yhdistelmiä, sopii odottaakin, että vastaan tulee tällaisia tapauksia. Dorigo onkin valmis lyömään tuhat Yhdysvaltojen dollaria vetoa, että kyseessä ei ole uusi hiukkanen. Hiukkasteoreetikko Jester on sen sijaan varovaisen optimistinen.

Puheessaan Patel kuitenkin korosti sitä, että tämä ei ole ainoa B-mesonien hajoamiseen liittyvä poikkeama. B-mesoni hajoaa myoni-antimyoni-pariksi ennustettua harvemmin. Koska tässä hajoamistuotteissa ei ole mukana K-mesonia, tämän yleisyyden voi ennustaa tarkasti.

Kun laittaa poikkeamat yhteen, todennäköisyys sattumalle on naiivisti laskettuna 1:16 000, mikä alkaa olla vakuuttavaa. Lisäksi on havaittu, että syntyneiden hiukkasten suunnat poikkeavat Standardimallin ennusteista, mutta tämän kohdalla ennusteiden epävarmuus on toistaiseksi vielä iso.

Havainnoille olisi suhteellisen helppo selitys. Standardimallissa B-mesoni hajoaa samalla tavalla elektroneiksi, myoneiksi ja tauksi sen takia, että hajoamista välittävä Z-bosoni kytkeytyy samalla tavalla kaikkiin kolmeen hiukkaseen. Tämän voi muuttaa ottamalla mukaan uuden välittäjähiukkasen, joka vuorovaikuttaa eri tavalla näiden eri hiukkasten kanssa. Tällaiselle hiukkaselle on annettu mielikuvituksekas nimi Z’-bosoni. Toinen mahdollinen vaihtoehto on leptokvarkin nimellä tunnettu hiukkanen, joka muuttaa elektroneja, myoneja ja tauta kvarkeiksi ja toisinpäin (mikä on Standardimallissa mahdotonta).

Kuten tavallista, ongelmana on selittää, miksi muissa havainnoissa ei ole vielä näkynyt mitään. Jos kyseessä on uusi hiukkanen, sen massa on luultavasti hieman LHC:n nykyisten rajojen yläpuolella, eli se voi löytyä lähitulevaisuudessa. Mutta myös B-mesonien hajoamisesta saadaan lisää tietoa. Ehkä kiinnostavinta on se, että ensi maaliskuussa alkaa LHC:n kolmas havaintokausi, jonka aikana mitataan ensimmäistä kertaa B-mesonien hajoamista tau-antitau-pareiksi. Jos nyt esitetyt selitykset pitävät paikkansa, näiden hajoamisten pitäisi erota elektronihajoamisista vielä enemmän kuin myonihajoamisten.

Jotkut luonnehtivat viime kuussa julkistettuja tuloksia myonien magneettisesta momentista viimeiseksi toivoksi nähdä merkkejä Standardimallin tuonpuoleisesta hiukkasfysiikasta. Mesonien mittaukset osoittavat, että on olemassa toinenkin toivon reitti.

LHC:n käynnistyessä korostettiin sen törmäysten ennennäkemättömän korkeaa energiaa ja monet odottivat suuria löytöjä. Huomio kiinnittyi uusia hiukkasia etsiviin törmäyskokeisiin ATLAS ja CMS. Niiden dataa käytetään myös B-mesonien tutkimisessa, mutta nyt keskiöön on siirtynyt LHCb:n mittaamat pienet vaikutukset matalan energian tapahtumiin. B-mesonien hajoamisessa syntyneiden hiukkasen energiat ovat yli tuhat kertaa pienempiä kuin LHC:n protonitörmäyksissä. Aika näyttää, voittaako suti vasaran, vai jääkö Higgsin hiukkanen LHC:n ainoaksi löydöksi.

Ekologinen eläintarha

26.5.2021 klo 16.56, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Kirjoitin kymmenen vuotta sitten mustista aukoista seuraavasti:

”Tällä hetkellä mustat aukot ovat tunnetun fysiikan rajalla: enemmän kuin pelkkiä arveluita, mutta vailla kiistatonta kokeellista varmennusta. Aihe yhdistää eri aloja: teoreettista ja kokeellista astrofysiikkaa, gravitaatioaaltojen fysiikkaa, hiukkasfysiikkaa ja suhteellisuusteoriaa. Tilanteessa on mielenkiintoisia teoreettisia mahdollisuuksia, ja kokeellinen tutkimus voi tarjota jotain sykähdyttävää.”

Neljä vuotta myöhemmin saatiin ensimmäinen suora havainto gravitaatioaalloista. Havaintoja on julkistettu nyt 50, ja suurin osa niistä vastaa hyvin yleisen suhteellisuusteorian ennusteita mustien aukkojen törmäyksistä. Jokusessa ainakin yksi parin jäsen on neutronitähti, ja muutamassa törmäilijöiden turhan pieni tai yllättävän korkea massa on herättänyt epäilyjä siitä, onko kyseessä sittenkään musta aukko tai neutronitähti, ainakaan tähden romahduksesta syntynyt.

Vuonna 2019 Event Horizon Telescope otti ensimmäisen valokuvan tapahtumahorisontin lähistöltä. Vuonna 2020 Nobelin palkinto meni (taas) mustille aukoille, teoreettisesta todistuksesta niiden muodostumisesta ja tarkoista havainnoista Linnunradan keskustan mustan aukon tienoilta.

Nyt on mustien aukkojen kulta-aika, ja niin tähtitieteilijät, kosmologit, kvanttigravitaatioteoreetikot kuin hiukkasfyysikotkin ovat kiireisiä aiheen parissa. Voisi siis luulla, että mustien aukkojen olemassaoloa ei enää juuri kyseenalaisteta. Asia on kuitenkin juuri päinvastoin. Koska on paljon uusia havaintoja, on mahdollista tarkemmin selvittää, onko kyse todella mustista aukoista.

Kappaleille, jotka näyttävät suunnilleen mustilta aukoilta on annettu nimi Eksoottinen Kompakti Objekti eli EKO (engl. Exotic Compact Object, ECO). Niitä on iso eläintarha, kuten fysiikassa vaihtoehtoisten kappaleiden tai hiukkasten kokoelmaa yleisesti kutsutaan. Eläintarha voidaan jakaa kahteen luokkaan.

Ensimmäisessä luokassa ovat kappaleet, jotka korvaavat mustat aukot. Yleinen suhteellisuusteoria ei ehkä kuvaa romahduksen lopputulosta täysin oikein, vaan se on yleisen suhteellisuusteorian pätevyysalueen ulkopuolella. Tällöin tarvitaan laajempi teoria gravitaatiosta –kuten säieteoria, silmukkakvanttigravitaatio tai jokin muu spekulatiivinen teoria– kertomaan mitä tapahtuu.

Yksi vaihtoehto on se, että kvanttifysiikka estää tapahtumahorisontin muodostumisen, ja tähti romahtaa loputtomasti, aina vain hitaammin. Toisaalta mustat aukot korvaavilla kappaleilla voi olla monimutkainen sisärakenne, joka vaikuttaa niiden käytökseen. Jacob Bekenstein oivalsi ja Stephen Hawking osoitti 1970-luvulla, että mustilla aukoilla on lämpötila ja entropia. Entropia on suure, joka mittaa sitä, montako toisistaan erotettavaa rakennuspalikkaa kappaleella on. Mustien aukkojen entropia herättää kysymyksen siitä, millainen niiden sisärakenne on.

Jotkut pitävät säieteorian suurena saavutuksena sitä, että siitä laskettiin mustilla aukoilla olevan juuri se entropia, minkä Bekenstein ja Hawking olivat päätelleet, ja selitettiin mitä niiden sisällä on. Lasku ei kuitenkaan kuvaa sellaisia mustia aukkoja, joita on oikeasti olemassa. Myös silmukkakvanttigravitaatiosta on laskettu sama entropia, mutta laskussa on tehty oletuksia, jotka eivät kaikkia vakuuta. On siis erilaisia ideoita siitä, mitä mustien aukkojen sisällä on, mutta asiasta ei ole varmuutta.

EKOjen toinen luokka ovat pienet ja tiheät kappaleet, jotka eivät korvaa mustia aukkoja vaan ovat olemassa niiden lisäksi. Ne eivät välttämättä synny tähtien romahduksessa, vaan aivan muulla tavoin. Tutkituin vaihtoehto on bosonitähdet.

Alkeishiukkasia on kahdenlaisia: fermioneita ja bosoneita. Tuntemamme aine koostuu fermioneista. Fermioneja ei voi olla kahta samassa tilassa. Tämän takia niistä voi pinota monimutkaisia rakenteita, ja atomit ja neutronitähdet pysyvät koossa.

Bosoneita voi sen sijaan olla samassa tilassa miten monta tahansa. Esimerkiksi laserissa on monta valohiukkasta samassa tilassa. Valo ei voi muodostaa rakenteita, koska se on massatonta ja liikkuu siksi valonnopeudella. Mutta jos on olemassa bosoni, jolla on massa ja joka ei hajoa nopeasti, niin sen hiukkaset voivat samassa tilassa yhtyä suureksi tähdeksi, joka on kuin jättimäinen alkeishiukkanen.

Bosetähdet voivat kenties räjähtää, ja tällaisen bosenovan voisi havaita. (Tässä näkyy fysiikan huumori: sana bosenova kuulostaa samalta kuin musiikkilaji bossa nova.) Toisaalta niiden törmäyksiä voisi havaita gravitaatioaaltojen kautta, mustien aukkojen tapaan. Bosonitähtien koko määräytyy hiukkasen massasta. Koska havaituissa gravitaatioaalloissa näkyy iso kirjo massoja, vain pieni osa niistä olisi mahdollista selittää bosonitähdillä.

Kummankin luokan EKOilla on neljä keskeistä ominaisuutta, jotka voivat olla erilaisia kuin mustilla aukoilla: koko suhteessa massaan, muoto, pinnan heijastavuus ja tapahtumahorisontti (tai sen puute).

On sikäli helppo etsiä merkkejä vaihtoehdoista mustille aukoille, että mustat aukot ovat hyvin yksinkertaisia kappaleita. Kaikki yksinäiset samanmassaiset ja yhtä nopeasti pyörivät mustat aukot ovat samanlaisia. Ne ovat symmetrisiä pyörimisakselin suhteen, ja samanlaisia kiertotaso ylä- ja alapuolella. Jos musta aukko ei pyöri, se on pallomainen. Lisäksi mustan aukon pinta ei heijasta lainkaan, vaan imee kaiken mikä siihen osuu, eikä sen sisältä tule mitään ulos, eli sillä on tapahtumahorisontti.

EKOt voivat pyöriessään ja toisiaan kiertäessään puristua eri tavoin, menettää energiaa sisäisen möyrinnän takia (aivan kuten tähdet) ja heijastaa osan gravitaatioaalloista.

Havaintojen tulkintaa vaikeuttaa se, että kahden mustan aukon järjestelmässä on paljon enemmän vaihtoehtoja kuin yhden. Esimerkiksi pyörimisnopeuden lisäksi pitää ottaa huomioon se, miten mustien aukkojen pyörimissuunnat suhtautuvat toisiinsa ja siihen tasoon, missä ne kiertävät toisiaan. Mitä useampi luku järjestelmää kuvaa on, sitä vaikeampi on selvittää sen yksityiskohtia gravitaatioaaltohavainnoista.

Nyt tehtyjen havaintojen perusteella voidaan kuitenkin jo sanoa, että jos EKOilla ei ole tapahtumahorisonttia, niiden säde on korkeintaan 10% mustaa aukkoa isompi. Myös EKOjen mahdollisesti mustista aukoista poikkeavia muotoja on mitattu, mutta niille ei ole saatu kovin tarkkoja rajoja.

Jos EKOn pinta heijastaa gravitaatioaaltoja, voi syntyä kaikuja. Jotkut ryhmät ovat väittäneet löytäneensä havaituista gravitaatioaalloista kaikuja, mutta tarkempien analyysien mukaan väitetty signaali ei erotu kohinasta.

Vuonna 2034 taivaalle nouseva gravitaatioaaltodetektori LISA pystyy selvittämään asiaa tarkemmin. Nykyiset gravitaatioaaltodetektorit LIGO ja Virgo näkevät vain noin sekunnin pätkän gravitaatioaalloista. LISA pystyisi seuraamaan samoja kohteita vuosien ajan ennen törmäystä, mikä lisäisi datan määrää valtavasti, vaikka signaali onkin hieman heikompi, koska aallot ovat voimakkaimpia kappaleiden kohdatessa.

Lisäksi LISAn odotetaan näkevän pieniä mustia aukkoja kiertämässä galaksien keskustojen jättiläismäisiä mustia aukkoja. Niissä on se vaikeus, että radat ovat erittäin monimutkaisia, eikä niitä ole vielä pystytty laskemaan edes supertietokoneilla. Ongelman kääntöpuoli on se, että koska radat ovat herkkiä mustien aukkojen ominaisuuksille, havainnot antavat tarkkoja rajoja ison mustan aukon ominaisuuksille kunhan ennusteet saadaan laskettua.

Toistaiseksi kaikki havainnot sopivat yhteen yleisen suhteellisuusteorian ennusteiden kanssa, eikä ole mitään luotettavaa ennustetta, jonka perusteella gravitaatioaaltokokeiden odottaisi näkevän merkkejä kvanttigravitaatiosta tai uudenlaisista tähdistä. Gravitaatioaallot ovat kuitenkin osoittaneet kykynsä luodata yksityiskohtaisesti niinkin äärimmäistä ilmiötä kuin tapahtumahorisonttia. Tulevat havainnot vähintäänkin lisäävät ymmärrystämme siitä, miten tarkasti yleinen suhteellisuusteoria kuvaa aika-avaruutta.

Taide ja taivas

25.5.2021 klo 15.47, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Puhun tiistaina 8.6. joskus välillä kello 16-19 Taideyliopiston tilaisuudessa Taide ja tähtitaivas. Tilaisuus järjestetään Hietsun Paviljongissa Helsingissä. Sinne on ilmainen pääsy. Tapahtuman kuvaus on seuraava:

Taide ja tähtitaivas on taidetta, tähtitiedettä ja kulttuurihistoriaa yhdistävä keskustelutilaisuus, jossa puhutaan tähtikartoista, avaruuselokuvista ja maailmankaikkeuden epäinhimillisestä kauneudesta. Keskustelun alustajiin kuuluvat kulttuurihistorioitsija Maarit Leskelä-Kärki, kosmologi Syksy Räsänen, tähtitieteen dosentti Hannu Karttunen ja kuvataiteilija Elina Saloranta.

Puheeni otsikko on Kaikkeuden epäinhimillinen kauneus ja sen kuvaus on tämä:

Kun Aurinko vajaan kahdeksan miljardin vuoden kuluttua sammuu, ihmiskunta on kuollut sukupuuttoon kauan sitten. Silti Auringon loppu ja Maapallon tuho herättää surua. Ihmiset ovat tottuneet katsomaan maailmaa inhimillisen linssin kautta, joten epäinhimillisen maailmankaikkeuden tapahtumia verrataan ihmiselämään. Toisaalta ihmisille on kehittynyt tilan ja muotojen hahmottamiseen abstraktin ajattelun välineitä, joita on mahdollista soveltaa maailmankaikkeuden täsmälliseen ymmärtämiseen ja epäinhimillisen kauneuden kokemiseen.

Päivitys (28/05/21): Tilaisuus on koronarajoitusten takia siirretty tulevaisuuteen, keskiviikkoon 24.11. kello 16-19.

---

Kivikuvun alla

29.4.2021 klo 20.18, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Koeryhmän ANAIS edustaja Susana Cebrián Zarazogan yliopistosta Espanjasta puhui eilen Helsingin yliopiston kosmologiaseminaarien sarjassa viime kuussa julkistetuista tuloksista pimeän aineen jahdissa. Hän oli Helsingissä joulukuussa 2019 kertomassa ensimmäisistä mittauksista, ja antoi nyt etänä päivityksen, kun niiden tilastollinen merkitys alkaa olla huomattava.

Monet koeryhmät ovat etsineet pimeän aineen hiukkasta, mutta vain yksi väittää löytäneensä sen: DAMA/LIBRA. Kirjoitin yksityiskohdista täällä kolme vuotta sitten. Kokeen idea on yksinkertainen: eristetään koepala häiriöistä ja katsotaan, näkyykö siinä merkkejä törmäyksistä pimeän aineen kanssa.

Jos pimeää ainetta on olemassa, Maa kulkee pimeän aineen pilven läpi liikkuessaan Linnunradan keskustan ympäri. Tämän takia lävitsemme pyyhältää pimeän aineen hiukkasia noin 200 km/s nopeudella. Joskus pimeän aineen hiukkaset törmäävät tavallisen aineen hiukkasiin. Tämä on yksittäiselle hiukkaselle harvinaista, koska ne vuorovaikuttavat tavallisen aineen kanssa heikosti. Mutta jos katsoo tarpeeksi isoa kasaa hiukkasia tarpeeksi kauan eikä pimeän aineen vuorovaikutus ole liian heikko, niin näkee törmäyksiä.

Törmäys voi potkaista elektronin pois atomista, saada sen säihkymään valoa ja tärisyttää ainetta, jossa atomi on kiinni. On kuitenkin kaikenlaista kohinaa, joka saa aikaan tällaisia ilmiöitä muutenkin, kuten radioaktiivisten ydinten hajoaminen.

DAMA/LIBRA pyrkii erottelemaan signaalin kohinasta tarkastelemalla törmäysten vaihtelua vuoden aikana. Koska Maan nopeus Auringon ympäri on noin 30 km/s ja sen suunta muuttuu vuoden ympäri, pimeän aineen nopeus meidän suhteemme vaihtelee vuoden aikana noin 10%. Kun menemme pimeän aineen tuulta vastaan, pimeän aineen hiukkasia tulee vastaan tiuhemmin, ja myötätuuleen kulkiessa niitä tulee harvemmin.

DAMA/LIBRA näkee tällaisen vaihtelun vuodenaikojen myötä todennäköisyydellä, joka noin kaksikymmentä miljardia miljardia miljardia miljardia vastaan yksi. Maksimi on vieläpä juuri silloin kuin pimeältä aineelta odottaisi, 2. kesäkuuta. Tulos näyttää yksinään vakuuttavalta, mutta mikään muu koeryhmä ei ole onnistunut toistamaan sitä.

Kolme vuotta sitten totesin, että tämä ei ole ratkaisevaa, koska muut kokeet ovat käyttäneet erilaisia koemateriaaleja. On mahdollista, että pimeä aine vuorovaikuttaa eri tavalla eri alkuaineista koostuvan tavallisen aineen kanssa niin, että se näkyy DAMA/LIBRAn natriumjodidikristallissa, mutta ei esimerkiksi koeryhmän XENON1T nestemäisessä xenonissa.

Nyt tilanne on muuttunut. ANAIS käyttää samanlaista natriumjodidikristallia kuin DAMA/LIBRA, joten ei ole mitään syytä, miksei se näkisi samaa signaalia, jos kyseessä on pimeä aine. ANAIS-kokeessa on pyritty riippumattomasti muutenkin toistamaan DAMA/LIBRAn koejärjestely, ja huolella hallitsemaan virhelähteet.

Kokeessa on 112.5 kiloa natriumjodidikristallia suojakerrosten alla tarkkaan eristettynä Canfrancin laboratoriossa Pyreneiden vuoriston kivikuvun alla. On tärkeää sijoittaa koe kiven alle, koska taivaalta tuleva säteily on merkittävä kohinan lähde. Kun kosmiset säteet (eli nopeasti liikkuvat protonit ja muita kevyet ytimet) iskeytyvät ilmakehän atomeihin, syntyy hiukkassuihkuja, erityisesti myoneja, joita menee lävitsemme koko ajan. Myonien lukumäärä vaihtelee vuodenajan myötä: ilman tiheys riippuu lämpötilasta, ja mitä tiheämpää aine on, sitä enemmän kosmiset säteet siihen törmäävät.

Vaikka ANAIS on vuoren suojassa, koeryhmä erikseen mittaa myonien määrän. Samoin se seuraa kosteutta, painetta, lämpötilaa, ympäristön radioaktiivisuutta ja koepalan sisältä tulevaa radioaktiivisuutta ja muita ajan myötä muuttuvia tekijöitä.

Kokeen herkkyydestä kertoo jotain se, että yksi huomioitava virhelähde on se radioaktiivisuus, mikä syntyy kosmisten säteiden osuessa koepaloihin tai -laitteisiin matkalla niiden valmistuspaikasta laboratorioon. Tämä tosin vaimenee tilanteen rauhoituttua maan alla.

ANAIS aloitti datan keräämisen elokuussa 2017, ja koeryhmä on nyt käynyt ensimmäisen kolmen vuoden mittaukset. On helppo tiivistää tulos: ANAIS ei näe mitään signaalia. Todennäköisyys sille, että tämä on sattumaa ja DAMA/LIBRA on oikeassa, on noin yksi sadasta. Ryhmä kerää dataa vielä yhteensä kahden vuoden verran, jonka jälkeen todennäköisyyden odotetaan laskevan noin tekijään 1:400. Sen jälkeen ryhmä aikoo päivittää koelaitteistoa, jotta todennäköisyys saadaan niin alas, että DAMA/LIBRAn tulos on poissuljettu järkevän epäilyn tuolle puolen.

ANAISin lisäksi koe COSINE-100 on mitannut pimeän aineen mahdollisia törmäyksiä Etelä-Koreassa vuodesta 2016 alkaen. Se on julkistanut vasta ensimmäisen 1.7 vuoden mittausten tulokset, eivätkä ne riitä DAMA/LIBRAn näkemän vuodenaikojen vaihtelun varmistamiseen tai poissulkemiseen. Koe nimeltä SABRE pyrkii aloittamaan mittaukset samaan aikaan Australiassa ja Italiassa Gran Sasson kaivoksessa, missä DAMA/LIBRAkin on, käyttäen pallonpuoliskojen eri vuodenaikoja ympäristötekijöiden erottelemiseen. Gran Sassoon on menossa myös COSINUS, jossa ovat Helsingin yliopistolta mukana Matti Heikinheimom Alex Stendahl ja Kimmo Tuominen. Kaikki nämä kokeet käyttävät natriumjodidikristalleja, kuten DAMA/LIBRA.

Olen kosmologiaa luennoidessani käyttänyt DAMA/LIBRA-tuloksia esimerkkinä siitä, miten läpimurrot näyttävät usein selviltä vasta jälkikäteen. Tutkimuksen eturintamalla ei usein tiedetä, milloin yllättävät tulokset ovat merkkejä teoreettisen ymmärryksen puutteesta (tässä tapauksesta siitä, miten pimeän aine vuorovaikuttaa), ja milloin kyse on puutteista havainnoissa tai niiden tulkinnassa.  Yksi koe ei välttämättä riitä teorian varmistamiseen tai kumoamiseen, koska molempiin liittyy kaikenlaisia oletuksia, jotka otetaan tarkempaan syyniin vasta kun asiat eivät menekään odotetulla tavalla.

Vaikka DAMA/LIBRAn väitettyä pimeän aineen havaintoa ei ole vielä täysin tyrmätty, ANAIS on antanut sille aikamoisen iskun, ja harva enää odottaa sen nousevan kanveesista.

---

Mitä siis on aika?

13.4.2021 klo 17.27, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Kirjoitin Helsingin opettajien ammattiyhdistyksen lehteen Rihveli ajan olemuksesta. Artikkeli alkaa näin:

Jotkut fyysikot tykkäävät siteerata Aurelius Augustinuksen (joka tuli tunnetuksi kirkkoisä Augustinuksena) teokseensa Tunnustukset 300-luvun lopulla kirjoittamia pohdintoja ajasta. Augustinus kommentoi osuvasti muun muassa sitä, miten vaikeaa ajan ajatteleminen on:

Mitä siis on aika? Jos kukaan ei kysy minulta, tiedän mitä se on. Jos haluan selittää sen sille, joka kysyy, en tiedä.

Toivo elää

8.4.2021 klo 21.53, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Eilen hiukkasfyysikot kohisivat kun tutkimuskeskus Fermilabin koeryhmä julkaisi uuden mittauksen myonin magneettisesta momentista. Lehdistötiedotteen mukaan tulos eroaa merkittävästi hiukkasfysiikan Standardimallin teoreettisesta ennustuksesta ja on vihje uudesta fysiikasta. Tässä on koeryhmän jäseneltä vähemmän hehkutusta ja enemmän tietoa sisältävä kirjoitus. Aiheesta on myös hyvä artikkeli Quantassa, ja teoreetikko Jester ja kokeilija Tommaso Dorigo valaisevat asiaa blogeissaan.

Myoni on alkeishiukkanen, eli sillä ei ole sisärakennetta. Alkeishiukkasten ominaisuudet tiivistyvät muutamaan numeroon: näitä ovat massa, sähkövaraus ja muihin vuorovaikutuksiin liittyvät varaukset, sekä jokunen muu luku. Yksi näistä on magneettinen momentti, joka kertoo, miten paljon hiukkanen kiertyy magneettikentässä. (Tämä kiertyminen liittyy hiukkasten ominaisuuteen nimeltä spin.)

Hiukkasen magneettisen momentin arvoon vaikuttavat kaikki hiukkaslajit, joiden kanssa se voi vuorovaikuttaa. Asiaa kuvaillaan usein niin, että hiukkasta ympäröi virtuaalisten hiukkasten pilvi, joka sekin reagoi magneettikenttään. Voi myös sanoa, että yksittäinen hiukkanen on hiukkaskentän tihentymä, ja liikkuu halki muiden kenttien, jotka vaikuttavat sen käytökseen.

Mittaamalla hiukkasen magneettisen momentin saa siis tietoa siitä, millaisia muita hiukkasia on olemassa. Elektronin magneettisen momentin laskeminen oli keskeinen osa kvanttielektrodynamiikan –ensimmäisen kvanttikenttäteorian– kehittämistä. Teoreettinen ja kokeellinen arvo täsmäävät miljoonasosan miljoonasosan tarkkuudella – tämä on yksi historian tarkimpia ennusteita ja mittauksia.

Myonien magneettinen momentti tunnetaan huonommin, ja Fermilabin koe on toistaiseksi tarkin. Koejärjestelyn idea on helppo selittää: myoneja kiihdytetään 99.9% valonnopeudesta ja pidetään voimakkailla magneeteilla kiertämässä kehää. Sekunnin sadastuhannesosassa myoni hajoaa elektroniksi ja neutriinoiksi. Kun mitataan, mihin suuntaan syntynyt elektroni osoittaa, saadaan selville mihin suuntaan myoni osoitti, eli miten paljon se oli kiertynyt magneettikentässä.

Fermilab on nyt määrittänyt myonin magneettisen momentin yli miljoonasosan miljardisosan tarkkuudella. (Lisätty tarkennus: koe mittaa myonin magneettisen momentin poikkeamaa siitä arvosta, mikä sillä olisi, jos myoni ei vuorovaikuttaisi muiden kenttien kanssa. Tämä poikkeama on noin tuhannesosan kokoinen, ja se on mitattu noin miljoonasosan tarkkuudella.)

Tämä ei ole iso edistysaskel: edellisen Brookhavenin laboratoriossa tehdyn mittauksen tarkkuus oli samaa luokkaa. Intoa herättää se, että nämä riippumattomat tulokset sopivat yhteen keskenään, ja eroavat teoreettisesta laskusta noin kolmen miljardisosan verran. Virherajaan verrattuna tämä on iso ero: todennäköisyys sille, että kyse olisi sattumasta on noin 1:40 000.

Hiukkasfysiikassa vaaditaan, että sattuman todennäköisyys olisi alle yksi noin miljoonasta, ennen kuin saa julistaa löytäneensä uutta fysiikkaa. Kuten olen usein maininnut, tilastollisen virheen korostaminen on kuitenkin harhaanjohtavaa, jos systemaattisia virheitä ja teoreettista ennustusta ei tunneta samalla tarkkuudella. Tässä tapauksessa ongelmia ei ole tiedossa niinkään kokeen kuin teorian puolella.

Fermilabin lehdistötiedote ei mainitse, että on olemassa toinenkin teoreettinen ennustus, ja se sopii hyvin yhteen mittaustuloksen kanssa. Ei tiedetä kumpi ennustus on oikein. On huvittava sattuma, että tämä yhteensopiva ennustus ilmestyi lehdessä samana päivänä, kun Fermilabin koetulos tuli julki. (Tulokset tosin luetaan nettiarkistosta arXiv, ei lehdistä, ja artikkeli on ollut siellä helmikuusta 2020 alkaen.)

Myonin magneettisen momentin laskeminen on erittäin vaikeaa. Siihen vaikuttavat monet hiukkaset, ja niiden vuorovaikutukset myonin kanssa pitää laskea tarkasti. Kaksi ristiriidassa olevaa teoreettista laskua lähestyvät asiaa eri tavalla.

Fermilabin koetuloksista poikkeava tarkastelu sivuuttaa osan laskujen ongelmista jättämällä niihin mustan laatikon, jonka arvo mitataan kokeista laskemisen sijaan. On mahdollista, että tämä laatikko ei ole asennettu oikein laskun muihin osiin.

Koetulosten kanssa yhteensopiva lasku sen sijaan laskee magneettisen momentin numeerisesti alusta alkaen. Numeerisissa laskuissa on omat sudenkuoppansa, ja laskun tehneen ryhmän mukaan tulos pitää vielä tarkistaa ja varmentaa.

Tilanne ei ole ainutlaatuinen. Muistan, kuinka 2000-luvun alussa oltiin kiinnostuneita myonin magneettisen momentin kokeellisen ja teoreettisen arvon isosta erosta, kunnes huomattiin, että laskussa oli yksi miinusmerkki väärin.

Fermilabin ryhmän julkaisema tulos perustuu vain 6% datasta, jonka se tulee kaikkiaan keräämään. Kaiken datan myötä tilastollisen virheen mahdollisuus laskee noin miljardisosan sadasosaan, kauas löydölle sovitun riman yläpuolelle, mutta tällä ei ole ratkaisevaa merkitystä, ellei teoreettista laskua saada vakaalle pohjalle.

Jos ristiriita koetuloksen ja teorian kanssa varmistuu, kyseessä on ensimmäinen kiihdytinhavainto hiukkasfysiikasta Standardimallin tuolla puolen. (Neutriinoiden massa ja pimeä aine ovat Standardimallin tuolla puolen, mutta ne on havaittu muilla keinoin.)

Kuten Jester huomauttaa, mitattu ero on isompi kuin Standardimallin W– ja Z-bosonien vaikutus myonin magneettiseen momenttiin. Tämä viittaa siihen, että poikkeaman aiheuttava hiukkanen ei ole kovin raskas. (Mitä raskaampi hiukkanen, sitä heikommin se vaikuttaa muiden hiukkasten ominaisuuksiin.) Tämä tarkoittaa, että sen voisi kenties havaita kiihdyttimissä – ja herättää kysymyksiä siitä, miksi sitä tai sen vaikutuksia muihin hiukkasiin ei ole vielä nähty.

Selityksiähän teoreetikoilla löytyy. Tänään tuli jo julki 32 artikkelia, joissa yhdistetään Fermilabin tulos uusiin hiukkasfysiikan teorioihin, ja huomenna saadaan lisää. Aika näyttää, onko joku niistä oikein, vai katoaako poikkeama tarkemmalla tarkastelulla, kuten hiukkasfysiikassa on usein käynyt. (Hiljattain julistettiin toinenkin –tilastollisesti vähemmän merkitsevä– ero Standardimallin ja havaintojen välillä; Tommaso Dorigo tarjoaa siihenkin hyvän katsauksen.)

Quantan artikkelissa Fermilabin koeryhmän jäsen Dominik Stöckinger sanoo liioitellen, että myonin magneettinen momentti on viimeinen toivo, ja hiukkasfysiikka kuolee, jos mitään ei löydykään. Tommaso Dorigo esittää asian vähemmän dramaattisesti: hänen mukaansa mittaus pitää elossa toivoa siitä, että on vielä jotain kiihdytinten löydettävissä.

Päivitys (10/04/21): Lisätty selvitys mittaustarkkuudesta.